淺談焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力

陳輝

【摘 要】零部件在焊接的過程中，因為焊接條件的不同，在焊接的過程中，會造成焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溫度不均勻的現(xiàn)象，完成焊接之后，在焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘留殘余應(yīng)力。焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力影響著焊接構(gòu)件的質(zhì)量和性能，使得焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂、變形等問題，本文就針對焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力進(jìn)行分析研究。

【關(guān)鍵詞】焊接；殘余應(yīng)力；影響；措施

1、焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力產(chǎn)生的因素

針對焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，在焊接結(jié)構(gòu)焊接中，因為受熱不均勻而產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，其分為縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力[1]?？v向殘余應(yīng)力主要是進(jìn)行縱向焊接而產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力，橫向殘余應(yīng)力就是在進(jìn)行橫向焊接的過程中，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。針對焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，可以將其歸結(jié)為三種：

（1）因比熱變化而產(chǎn)生。在焊接零部件的過程中，因為焊接件性質(zhì)的不同，在焊接的過程中，會因為比熱容發(fā)生變化，使得焊接組織發(fā)生變化，而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。因為不同碳含量的鋼結(jié)構(gòu)，在焊接的過程中對溫度的感應(yīng)不同，所以在焊接的過程中，需要充分的考慮到鋼結(jié)構(gòu)在焊接的過程中，產(chǎn)生的相變溫度、冷卻溫度等等。

（2）因焊而產(chǎn)生。在焊接的過程中，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的主要組成部分，也是關(guān)鍵，在焊接的過程中，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力主要是因為冷卻溫度梯度以及進(jìn)行的不均勻加熱造成的。

（3）因間接而產(chǎn)生。焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力，在焊接之前，因為焊接機(jī)械構(gòu)件、零件在加工等造成焊接產(chǎn)生殘余應(yīng)力，將這部分的殘余應(yīng)力看成是因為間接因素形成的。在機(jī)械器件焊接之前，進(jìn)行過軋剎等，將會在焊接的過程中，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，影響焊接結(jié)構(gòu)的性能。

綜上所述，在焊接過程中，產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力可以看成是不同焊接熱源、焊接構(gòu)件的的性能隨著溫度的變化而產(chǎn)生的。焊接時，不同的熱源在焊接的過程中，產(chǎn)生的溫度場不同，因此產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力也不同。焊接結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)、力學(xué)性能等隨著溫度的變化而變化，在焊接的過程中，往往會因為焊接溫度，也使其性能發(fā)生變化。

2、焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力產(chǎn)生的影響

焊接是機(jī)械加工生產(chǎn)、鋼結(jié)構(gòu)連接等不可缺少的一道工序，焊接中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會對焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，嚴(yán)重的影響著焊接結(jié)構(gòu)的性能。當(dāng)前因為焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生的影響主要有以下幾個方面：

（1）疲勞強(qiáng)度

機(jī)械構(gòu)件在使用的過程中，其性能不發(fā)生較大變化的時間，稱之為焊接結(jié)構(gòu)的使用壽命，這是焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗中的一個重要指標(biāo)。機(jī)械零部件等在焊接、加工中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，對其疲勞強(qiáng)度影響較大。當(dāng)焊接殘余應(yīng)力達(dá)到一定程度后，其對焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生的影響將超過了焊接結(jié)構(gòu)的承受能力，造成焊接件的報廢。

（2）穩(wěn)定性

在機(jī)械生產(chǎn)中，零部件性能的穩(wěn)定性，是機(jī)械生產(chǎn)的保證。焊接殘余應(yīng)力，將會使得焊接件發(fā)生裂縫、氧化、變形等，影響其穩(wěn)定性。

（3）強(qiáng)度

雖然焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，不會受到焊接殘余應(yīng)力的影響，但是在機(jī)械生產(chǎn)的過程中，因為對零件性能的要求，在機(jī)械零件加工中，會采用高集中式的焊接，此時焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力就不可再忽視了。當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)處于脆弱狀態(tài)時，焊接殘余應(yīng)力對其強(qiáng)度產(chǎn)生的影響是最大的，會造成焊接結(jié)構(gòu)變形，嚴(yán)重的破壞焊接結(jié)構(gòu)的規(guī)格。

（4）剛度

在機(jī)械生產(chǎn)中，每個機(jī)械零部件都有自己的形態(tài)結(jié)構(gòu)，在機(jī)械生產(chǎn)中，充分的發(fā)揮自身形態(tài)結(jié)構(gòu)的功能。當(dāng)其受到一定的外部壓力影響后，其形態(tài)就會有所變化，即我們所說的構(gòu)件變形，焊接結(jié)構(gòu)的剛度也隨之變化。焊接殘余應(yīng)力在零部件內(nèi)部發(fā)生膨脹，使得這部分焊接結(jié)構(gòu)處于松散的狀態(tài)，其硬度和剛度都發(fā)生改變，進(jìn)而影響著焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

（5）裂縫

機(jī)械零部件在加工中會產(chǎn)生一些細(xì)微裂紋，這些裂紋在其焊接過程所產(chǎn)生的影響將非常大。這些機(jī)械零部件的裂紋會在焊接的過程中，變成裂縫，引起零部件的開裂。

3、焊前減少焊接殘余應(yīng)力和變形的措施

在焊接的過程中，產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力，直接影響著焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和性能，為了避免焊接殘余應(yīng)力對其性能和焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響，需要將焊接殘余應(yīng)力消除。消除焊接殘余應(yīng)力的措施主要有：

（1）合理的控制焊接量

在滿足零部件加工性能的條件下，我們應(yīng)該減少焊縫的尺寸和數(shù)量，焊縫的尺寸越小，焊縫的數(shù)量越少，所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力就越小，對零部件造成的影響就越小。因此我們在焊接過程中，需要合理的、科學(xué)的布置焊接量，在保證焊接質(zhì)量的前提下，盡量減少焊縫，以及焊接的尺寸。

（2）改進(jìn)現(xiàn)有的焊接工藝

改進(jìn)現(xiàn)有的焊接工藝，第一需要將焊接的順序和焊接的方向進(jìn)行合理的調(diào)整和改變，其次將焊接中具有較大收縮量的焊接排在前面，先進(jìn)行焊接，然后在進(jìn)行長直縫的焊接。在焊接的過程中，需要按照先大后小的焊接原則進(jìn)行焊接，完成所有的焊接之后，需要對整個焊接構(gòu)件進(jìn)行加熱，縮小焊接部位和非焊接部位之間的溫度差，降低殘余應(yīng)力產(chǎn)生危害。

（3）引進(jìn)先進(jìn)的焊接技術(shù)

采用新型的焊接工藝，氬弧焊、二氧化碳保護(hù)焊等在焊接過程中產(chǎn)生氣體保護(hù)層，不僅保證零部件不被氧化，而且還能減少焊接過程中對焊縫的影響，最大程度減小殘余應(yīng)力。

4、焊后消除殘余應(yīng)力的措施

（1）熱處理消除法

焊后熱處理是一種消除焊接殘余應(yīng)力常用的方法。主要用退火處理，溫度越高、保溫時間越長，消除焊接殘余應(yīng)力的效果就越好。但是溫度過高，使工件表面氧化比較嚴(yán)重，組織可能發(fā)生轉(zhuǎn)變，影響工件的使用性能，存在弊端。蠕變應(yīng)力松弛理論為熱處理消除焊接殘余應(yīng)力提供了另一條思路，工件在較低溫度時會發(fā)生蠕變，材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力會因應(yīng)力松弛而得到釋放，只要保溫時間足夠長，理論上殘余應(yīng)力可完全消除。在低溫消除焊接殘余應(yīng)力時，材料的組織和性能變化甚微，幾乎不影響材料的使用性能，而且低溫處理材料表面的氧化和脫碳也比較小，這就可以在材料的力學(xué)性能和組織基本不變的情況下達(dá)到降低材料焊接殘余應(yīng)力的目的。

（2）錘擊消除法

焊后采用帶小圓頭面的手錘錘擊焊縫及近縫區(qū)，使焊縫及近縫區(qū)的金屬得到延展變形，用來補(bǔ)償或抵消焊接時所產(chǎn)生的壓縮塑性變形，使焊接殘余應(yīng)力降低。

（3）振動消除法

振動消除法是利用由偏心輪和變速馬達(dá)組成的激振器，使焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生共振所產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力來降低內(nèi)應(yīng)力的。

這種方法所用的設(shè)備簡單，處理成本低，時間比較短，沒有高溫回火給金屬表面造成的氧化問題，目前在施工中廣泛使用。

（4）預(yù)載消除法

殘余應(yīng)力也可采用機(jī)械拉伸法（預(yù)載法）來消除或調(diào)整，例如對壓力容器可以采用水壓試驗，也可以在焊縫兩側(cè)局部加熱到200℃，造成一個溫度場，使焊縫區(qū)得到拉伸，以減小和消除焊接殘余應(yīng)力。

5、小結(jié)

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人們對焊接結(jié)構(gòu)的性能、焊接質(zhì)量的要求越來越高，焊接殘余應(yīng)力，嚴(yán)重的影響到焊接結(jié)構(gòu)的性能和質(zhì)量。為了提高焊接質(zhì)量，需要我們從焊接工藝、焊接技術(shù)等各個方面進(jìn)行探討，在焊接的每一個環(huán)節(jié)減小殘余應(yīng)力，大大提高材料的使用壽命和性能。

參考文獻(xiàn)：

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