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。在機械器件焊接之前，進行過軋剎等，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，嚴重的影響著焊接結(jié)構(gòu)的性能。當前因為焊接殘余應(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）疲勞強度

機械構(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。機械零部件等在焊接、加工中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，對其疲勞強度影響較大。當焊接殘余應(yīng)力達到一定程度后，其對焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度產(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

在機械生產(chǎn)中，零部件性能的穩(wěn)定性，是機械生產(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）強度

雖然焊接結(jié)構(gòu)的強度，不會受到焊接殘余應(yīng)力的影響，但是在機械生產(chǎn)的過程中，因為對零件性能的要求，在機械零件加工中，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。當焊接結(jié)構(gòu)處于脆弱狀態(tài)時，焊接殘余應(yīng)力對其強度產(chǎn)生的影響是最大的，會造成焊接結(jié)構(gòu)變形，嚴重的破壞焊接結(jié)構(gòu)的規(guī)格。

（4）剛度

在機械生產(chǎn)中，每個機械零部件都有自己的形態(tài)結(jié)構(gòu)，在機械生產(chǎn)中，充分的發(fā)揮自身形態(tài)結(jié)構(gòu)的功能。當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，進而影響著焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

（5）裂縫

機械零部件在加工中會產(chǎn)生一些細微裂紋，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）改進現(xiàn)有的焊接工藝

改進現(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，先進行焊接，然后在進行長直縫的焊接。在焊接的過程中，需要按照先大后小的焊接原則進行焊接，完成所有的焊接之后，需要對整個焊接構(gòu)件進行加熱，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）引進先進的焊接技術(shù)

采用新型的焊接工藝，氬弧焊、二氧化碳保護焊等在焊接過程中產(chǎn)生氣體保護層，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性能和組織基本不變的情況下達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：

[1]葛明蘭，魯家晟.焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響[J].福建建筑.2010（07）：50-52.

[2]孫乃明.焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響[J].裝備制造技術(shù).2013（03）：138-139.