焊接應力產(chǎn)生的原因及處理方法

1．焊接應力的分類

焊接過程是一個先局部加熱，然后再冷卻的過程。焊件在焊接時產(chǎn)生的變形稱為熱變形，焊件冷卻后產(chǎn)生的變形稱為焊接殘余變形，這時焊件中的應力稱為焊接殘余應力。焊接應力包括沿焊縫長度方向的縱向焊接應力，垂直于焊縫長度方向的橫向焊接應力和沿厚度方向的焊接應力。

2．焊接殘余應力對結(jié)構(gòu)性能的影響

（1）對結(jié)構(gòu)靜力強度的影響：焊接應力不影響結(jié)構(gòu)的靜力強度。

（2）對結(jié)構(gòu)剛度的影響：焊接殘余應力降低結(jié)構(gòu)的剛度。

（3）對受壓構(gòu)件承載力的影響：焊接殘余應力降低受壓構(gòu)件的承載力。

（4）對低溫冷脆的影響：增加鋼材在低溫下的脆斷傾向。

（5）對疲勞強度的影響：焊接殘余應力對結(jié)構(gòu)的疲勞強度有明顯不利影響。焊接變形的基本形式有收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形和扭曲變形等。

焊接過程中，對焊件進行不均勻加熱和冷卻，是產(chǎn)生焊接應力和變形的根本原因。

減少焊接應力與變形的工藝措施主要有：

一、預留收縮變形量。根據(jù)理論計算和實踐經(jīng)驗，在焊件備料及加工時預先考慮收縮余量，以便焊后工件達到所要求的形狀、尺寸。二、反變形法。根據(jù)理論計算和實踐經(jīng)驗，預先估計結(jié)構(gòu)焊接變形的方向和大小，然后在焊接裝配時給予一個方向相反、大小相等的預置變形，以抵消焊后產(chǎn)生的變形。

三、剛性固定法。焊接時將焊件加以剛性固定，焊后待焊件冷卻到室溫后再去掉剛性固定，可有效防止角變形和波浪變形。此方法會增大焊接應力，只適用于塑性較好的低碳鋼結(jié)構(gòu)。

四、選擇合理的焊接順序。盡量使焊縫自由收縮。焊接焊縫較多的結(jié)構(gòu)件時，應先焊錯開的短焊縫，再焊直通長焊縫，以防在焊縫交接處產(chǎn)生裂紋。如果焊縫較長，可采用逐步退焊法和跳焊法，使溫度分布較均勻，從而減少了焊接應力和變形。

五、錘擊焊縫法。在焊縫的冷卻過程中，用圓頭小錘均勻迅速地錘擊焊縫，使金屬產(chǎn)生塑性延伸變形，抵消一部分焊接收縮變形，從而減小焊接應力和變形。

六、加熱“減應區(qū)”法。焊接前，在焊接部位附近區(qū)域(稱為減應區(qū))進行加熱使之伸長，焊后冷卻時，加熱區(qū)與焊縫一起收縮，可有效減小焊接應力和變形。

七、焊前預熱和焊后緩冷。預熱的目的是減少焊縫區(qū)與焊件其他部分的溫差，降低焊縫區(qū)的冷卻速度，使焊件能較均勻地冷卻下來，從而減少焊接應力與變形。焊后消除應力處理：

1、整體熱處理：消除應力的程度主要決定于材質(zhì)的成分、組織、加熱溫度和保溫時間。低碳鋼及部分低合金鋼焊接構(gòu)件在650度，保溫20~40h，可基本消除全部殘余應力。

另外還有爆炸消除應力。

2、局部熱處理：大型焊接結(jié)構(gòu)，受加熱爐的限制或要求不高時采用這種方法。可采用火焰、紅外、電阻、感應等加熱方式，應保持均勻加熱并具有一定的加熱寬度。低合金高強鋼，一般在焊縫兩側(cè)各100~200mm。

3、機械拉伸、水壓試驗、溫差拉伸、振動法等這幾種方法只能消除20~50%的殘余應力，前兩種方法在生產(chǎn)上廣泛應用。

焊接后進行去應力處理，有自然時效處理（時間長，去應力不徹底，）、震動時效（效率高，費用低，只能去除焊接應力的70%左右）人工加熱時效（時間短費用較高，能100%去除焊接應力，同時能進行去氫處理）。

采用大型燃油退火爐，進行焊后退火處理。采用多點加熱、多點溫度控制方式

，溫控采用熱電偶自動控制儀表控制加熱，使爐內(nèi)各部溫度均勻的控制在退火溫度，保證工件的退火，同時能去除焊接過程中滲入焊縫中的H原子，消除了焊接件的氫脆。

在冷熱加工過程中，產(chǎn)生殘余應力，高者在屈服極限附近。構(gòu)件中的殘余應力大多數(shù)表現(xiàn)出很大的有害作用；如降低構(gòu)件的實際強度，降低疲勞極限，造成應力腐蝕和脆性斷裂。并且由于殘余應力的松弛，使零件產(chǎn)生翹曲，大大的影響了構(gòu)件的尺寸精度。因此降低構(gòu)件的殘余應力，是十分必要的。

傳統(tǒng)的時效方法有：熱時效、振動時效、自然時效、靜態(tài)過載時效、熱沖擊時效等。后兩種方法應用較少，這里不作介紹

自然時效(NSR)是將工件長時間露天放置（一般長達六個月至一年左右），利用環(huán)境溫度的季節(jié)性變化和時間效應使殘余應力釋放，在溫度應力形成的過載下，促使殘余應力發(fā)生松弛而使尺寸精度獲得穩(wěn)定。由于周期太長和占地面積大，僅適應長期單一品種的批量生產(chǎn)和效果不理想，目前應用的較少。

熱時效（TSR）是將構(gòu)件由室溫（或不高于150℃）緩慢、均勻加熱至550℃左右，保溫4~8小時，再嚴格控制降溫速度至150℃以下出爐，達到消除殘余應力的目的，可以保證加工精度和防止裂紋產(chǎn)生。

振動時效（VSR）又稱振動消除應力法，是將工件（包括鑄件、鍛件、焊接構(gòu)件等）在其固有頻率下進行數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘的振動處理，以振動的形式給工件施加附加應力，當附加應力與殘余應力疊加