浅析焊接应力的控制与消除方法

浅析焊接应力的控制与消除方法

马刚 1 牟广桐 2

1 身份证号码： 211322199008175274

2身份证号码：211302199011140456

摘要：焊接残余应力对焊接结构的使用性能有一定影响，容易引起结构的脆性断裂，而拉伸残余应力与压缩残余应力会分别产生影响，前者即会降低疲劳强度，后者即会减小稳定性极限，因此焊接残余应力会直接导致焊接件变形和开裂。在焊接过程中，由于存在着诸多的不确定因素，所以对焊接残余应力的具体测定非常繁琐，这也使相关研究难上加难，所以不断深入研究焊接结构的残余应力是非常有必要的。在实际焊接操作的过程中，焊接结构的获取往往是依靠经验或者实验，而在科学技术飞速发展的当下，新工艺层出不穷，如果仅仅凭借经验或实验，或许要花费大量的人力物力财力，而最终获得的焊接结构也已经过时，由此也会造成严重的经济损失。通过利用计算机技术，发挥计算机模拟的优势作用，在实际的模拟中，可以通过验证试验来验证数值是否适用，而对于焊接工艺、设计、参数的相关设置和筛选，都通过计算机来独立完成，对经济效益的提升起着积极的促进作用。

关键词：焊接应力；控制；消除方法

焊接应力是产生于焊接的过程中，焊接件内部的结构应力，当焊接操作完成之后，焊接件内部会存在一定的焊接应力。焊接应力会伴随着焊接过程的进行而发生一定的变化，其分布没有一定的规律可循，由于焊接件本身的一些因素，在焊接过程中焊接应力也会随之变化。因此，控制和消除焊接应力值，有利于提高整个构件的焊接质量。

1产生焊接应力的原因

1.1焊接件受热不均匀

在具体焊接的过程中，焊接应力的产生和变形，是由于在焊接中实际操作不均匀，在焊接中的焊接件位置引焊接操作实施所产生热涨，而在没有焊接的位置则没有产生热涨，因此热涨变形受到了相应的阻碍，最终在焊接完成后，会产生焊接变形以及焊接应力。

1.2焊接金属出现收缩

焊接的过程即为融化焊接的材料，之后进行金属的填充，其在一般的常态下为全塑的状态，而在整个焊接过程中，自身会发生变形，但不会拉动其他材料的变形，由此产生金属收缩，以及金属变形和焊接应力。

1.3焊接件刚性约束

在焊接过程中，焊接变形以及焊接应力的产生，与焊接件的刚性约束有着一定的关系，焊接件的刚性越大，则发生焊接变形以及焊接应力的概率就越小，反之亦然，因此焊接件刚性约束与焊接变形、焊接应力之间是反比关系。

1.4其它因素导致焊接残余应力产生

在具体的焊接操作过程中，产生焊接残余应力的因素有很多，如热源、材料、刚性约束等，同时还伴有其他因素的影响。在焊接前期，对钢结构的局部零件进行轧制，对焊接过程也会产生相应的影响，从而导致焊接残余应力的产生，所以在焊接时，要从多方面进行考虑，综合多种因素，由此来降低和消除残余应力的产生，从而保障机械强度。

2焊接应力控制方法

2.1焊接结构

焊接残余应力由焊接结构所导致，减少焊接量是降低应力的最有效方式，而减少焊缝数，减少焊缝尺寸等都能够达到减少焊接量的目的。在相同的焊接强度之下，较小的焊缝尺寸比大焊缝尺寸的残余应力要小很多。另外，这里应该注意的是，尽量避免焊缝的集中，焊缝距离较近，焊缝间容易产生耦合，从而形成残余应力场，一般情况下焊缝间的距离应不小于100mm，同时大于3倍板厚。与此同时，要采用刚度小的焊接接头，这样结构的拘束度较小，从而形成的残余应力较小。

2.2焊接工艺

在焊接的过程中，影响焊接应力的主要因素有：焊接前的预热、焊接的参数、焊接的顺序、结构组件拆分等。焊接前的预热，能够缓解焊接过程中的温度过低或过高，使温度趋向平缓，从而确保不同焊接部位变形差异的稳定性，最终降低焊接残余应力。焊接前的预热温度，与金属的材料、结构刚性、散热情况有着密切的联系，其要根据材质的不同特性来确定预热温度，温度的差异越小，则焊缝区与整体结构才能够更加均匀的冷却，从而达到减少残余应力的目的，此种方式的应用，一般是脆性材料或刚性较大的焊接件。焊接参数的设置，对热输入有着重要的影响，小参数的设置，在焊接过程中热输入量也较小，塑性变形区也会相应减少，最终降低残余应力。对于焊接的顺序而言，要能够确保焊缝的横向和纵向收缩自如，通过控制焊接变形来降低焊接的残余应力。在条件允许的情况下，焊接中应采取下述措施：即在焊接收缩量大的接头后，再焊接收缩量小的；在焊接完短焊缝后，再焊接长焊缝；先焊接结构中心，再焊接结构外部等等，以达到减少焊接残余应力的目的。在焊接前，将结构组件进行合理的拆分，并在组件上完成焊接，鉴于组件的刚度较小，在焊接的过程中，结构能自由变形，所以可以根据焊接变形由此来减少残余应力。

2.3消除焊接应力的方法

2.3.1锤击法

锤击法，通过锤击法对残余应力进行控制，由于焊接残余应力是焊缝冷却时所产生，所以通过应用锤击法，对焊缝和焊缝周边进行锤击，使金属慢慢展开，由此来降低残余应力。

2.3.2震动法

震动法，通过震动来消除残余应力，当构件的承受荷载到达了一定数值，并在多次循环下通过震动能够有效降低结构中的应力。此种方法所需要的成本不高，时间也较少，因此较多的用在不锈钢、碳素钢的内部应力消除上，且所取得的效果非常显著。

2.3.3整体高温回火（消除应力退火）

此方法是加热整体的焊接结构，并能够持续保温一段时间，接着再冷却。对于相同的材料而言，应力消除的是否彻底，与回火温度和时间有着密切联系。通过利用整体高温回火，能够消除80%-90%的残余应力。该方法也有其自身的缺点，即如果焊接结构较大，则需要较大的回火炉，而相对的投资费用也会增加。

2.3.4机械拉伸法

在焊接件焊接完成后，会产生不同程度的压缩残余变形，即残余应力的产生，所以通过机械拉伸法，可以起到有效的加载拉伸，减少压缩参与变形的发生，从而降低和消除残余应力。

2.3.5温差拉伸法（低温消除应力法）

基本原理与机械拉伸法相同。温差拉伸法与机械拉伸法的原理大致相同，即为在焊缝两侧加热到150～200℃，然后用水冷却使焊缝区域受到拉伸塑性变形，由此来控制焊缝纵向残余应力，此种方法往往用于焊缝比较规则、厚度不大（<40mm）的板、壳结构。

2.3.6局部高温回火

对焊接过程中的焊缝及周边区域进行加热，由此来减少和消除应力，局部高温回火与整体高温回火相比，其所使用的设备简单，固该方法普遍用于结构简单的焊接结构。

3结语

总而言之，在焊接的过程中，要对焊接工艺有所了解，针对不同的材料，选择合适的焊接方法，由此来降低和消除焊接残余应力，并采取有效的控制措施。在具体的焊接实践中，要学会摸索和积累经验，从多方面进行考虑，最终提升焊接的质量，提高施工进度。

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