設計加工中減小或消除焊接殘余應力的實用對策

谷賀雄，王波，劉偉

（1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北 保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

設計加工中減小或消除焊接殘余應力的實用對策

谷賀雄，王波，劉偉

（1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北 保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

文中針對焊接殘余應力的產(chǎn)生原因，分析了在結構設計、焊接工藝、焊后去應力處理等方面如何減小或消除焊接殘余應力的方法。

焊接；殘余應力；應力消除；矯正；退火；振動

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)03--

引言

焊接在現(xiàn)代機械設備生產(chǎn)中舉足輕重的一種加工方法。與其他加工方法相比較，節(jié)省材料、節(jié)省工時、節(jié)省費用，而且能更簡單地實現(xiàn)輕量化，從而降低成本。但是，焊接過程中焊材與母材在強電流的電弧作用下迅速熔化形成熔池（即焊道），母材迅速吸熱從而形成固態(tài)的焊道，焊道由液態(tài)冷凝為固態(tài)體積急劇收縮并與母材結合，而母材卻制約其收縮產(chǎn)生了熱應變和塑性應變，這就產(chǎn)生了拉應力效應，也就是焊接殘余應力。

一些焊后產(chǎn)生的拉應力是有利的，如球形屋架、塔吊塔身、塔臂、天車龍門吊等，必要的拉應力維持結構的一定剛度及應力平衡，從而保證結構的穩(wěn)定性和承載能力，所以這類設備有序的焊接工藝后是不需要去應力處理的。但更主要的是焊接殘余應力在生產(chǎn)中的負面影響，尤其是在零部件焊后的加工工序中會應力變形。因此在焊后需加工的零部件，必須進行焊后去應力處理。

1、焊前焊中從減小焊接變形的注意事項方面考慮

1.1 從結構設計方面考慮

針對產(chǎn)品的總體設計要求、載荷類型及應力分布、材料的力學和物理性能、擬采用的焊接方法的適用性和熔敷金屬性能等因素，考慮焊接件結構的設計。1）結構設計中，盡量保證零部件的對稱性，便于對稱焊接，應力對稱相互平衡；2）焊縫應盡可能分散，以便減少焊接熱影響區(qū)，防止粗大結構的出現(xiàn)；3）保證焊接強度的前提下，優(yōu)化焊縫的位置、數(shù)量及尺寸，焊縫應盡量可以平焊或立焊，盡可能避免仰焊和橫焊；4）焊縫應盡可能避開最大應力斷面和應力集中位置，以防止焊接應力與外力相互疊加；5）焊縫應盡量避開機加工表面；6）型面過渡均勻，避免幾何不連續(xù)性，優(yōu)化接頭形式和坡口形式，進而避免拉應力破壞結構；7）復雜的結構件可以分解為若干個較小、較簡單、較規(guī)矩的結構，分解焊接，最后組焊；8）可以采用其他聯(lián)接方式時（如螺紋聯(lián)接等），盡可能采用其他聯(lián)接方式代替焊合。

1.2 從焊接工藝方面考慮

針對材料的焊接性、焊件的結構特點、焊接接頭形式、生產(chǎn)批量、經(jīng)濟性等因素，選擇更適合的焊接方法。1）應盡量選用焊接性較好的材料（如ωC＜0.25%的低碳鋼和強度級別較低、碳當量CE≤0.4%的低合金鋼），焊接性較差的材料（0.4%＜CE＜0.6%）焊前需適當預熱；2）盡量選用廉價材料，僅在有特殊要求的部位采用特種材料，以降低成本（如麻花鉆的鉆頭材料為高速鋼，柄部材料為碳鋼）；3）盡量選用軋制型材，以降低備料工作量，形狀復雜的結構可分解采用沖壓件、鑄鋼件等以減少焊縫數(shù)量、降低焊接難度，減少焊接應力、變形和焊接缺陷，且能夠降低成本；4）焊前預熱、焊后緩冷，焊件本體溫差越大，焊后熱量釋放越快，導致焊接應力也越大，所以焊件本體較厚、較大時，焊前應進行預熱處理，焊后應采取緩冷措施。

例如，某型土壓平衡盾構機（EPB）刀盤基材采用焊接性能良好的Q345B厚鋼板卷制而成，關鍵保徑部位采用CO2氣體保護焊將從瑞典鋼鐵奧克隆德有限公司（SSAB OXELOSUND）進口的HARDOX悍達400、HARDOX悍達500等耐磨鋼板與刀盤基材焊合（圖1），或采用儲能式螺柱焊機將耐磨豆（wear pins）與刀盤基材焊合（圖2），并采用CO2氣體保護焊將耐磨焊絲堆焊成網(wǎng)格狀以保護基材不被嚴重磨損。

2、焊接完成后從減小焊接變形的處理方式方面考慮

2.1 矯正法

矯正法分為冷作矯正法和火焰矯正法兩種。冷作矯正是在結構件上施加外力使其局部纖維收縮，分為手工矯正法和機械設備矯正法兩種，冷作拉延使其產(chǎn)生拉伸應變達到恢復原形位的方法。但是機械校正容易使金屬冷作硬化，消耗材料的塑性儲備，所以機械校正適用于塑性較好的材料，不適用于塑性較差或脆性材料。機械校正可以采用人工捶打方法或者采用專用設備，如專用的水壓機、油壓機或者頂床?；鹧娉C正主要應用在鋼結構上，即利用火焰（常用氧炔焰）對構件局部加熱使之產(chǎn)生局部塑性變形，構件冷卻收縮時（必要時水冷，并輔以錘擊）達到矯正變形的目的。火焰矯正方法按照加熱區(qū)域分為線狀加熱法、點狀加熱法、三角形區(qū)域加熱法。值得注意的是，火焰矯正法主要適用于低碳鋼和低合金高強度鋼，加熱時溫度不宜過高，否則會致使金屬變脆，影響沖擊韌性，厚度較大或淬硬傾向較大的鋼材不宜采用水火矯正方法。

2.2 退火消除焊接變形法

引起焊接變形的根本原因是焊接殘余應力的存在，減小焊接殘余應力就能減小焊接變形。焊件組焊前，根據(jù)焊件結構、焊接變形規(guī)律、焊件變形方向、焊接工藝順序制作工裝夾具，用夾具將待焊件或兩變形規(guī)律相反的零部件固定在一起，施焊中注意焊接順序。焊后如若將零部件從夾具中釋放，則焊接變形逐漸顯現(xiàn)。若采用退火方法處理焊件，則可消除內(nèi)應力。

將焊件（焊件溫度低于300℃）水平放置于退火爐內(nèi)（焊件表面要求高的小焊件，可用木炭或鑄鐵屑覆蓋，或裝箱保護），加熱溫度100-150℃/小時，保溫溫度580～680℃，對于薄壁、細長、大而薄的易變性焊接件，退火溫度宜取下限。保溫時間根據(jù)焊件結構件最厚或直徑最大的斷面計算，每25mm為1小時，一般保溫時間2-4小時。退火完成后隨爐冷卻至300℃以下出爐空冷。

例如，圖中所示焊接件底座單面焊有若干小板，焊接件在下側三塊貼合鋼板焊縫處產(chǎn)生了強勢拉應力，但由于主板本身剛度的制約，焊合拉應力與主板內(nèi)應力相互抵消，變形很?。▓D3）。若焊接件不經(jīng)過去應力處理就直接機加工上下兩平面，則主板變薄而剛度降低，焊合拉應力會使得焊接件收縮變形隆起（圖4）。避免機加工后隆起變形有多種方法，可以反向矯正零部件（圖5）使得焊縫拉伸（油壓機反向壓彎再回校平，反復兩次）消除大部分焊合拉應力，也可以進行去應力退火，這樣后續(xù)機加工后就可以避免產(chǎn)生大的應力變形。

退火消除應力方法運用普遍，效果較好，但受限于零部件尺寸或型材剛度要求，這時可以采用振動法減小殘余應力。

2.3 振動減小殘余應力法

焊接內(nèi)應力也是機械能的一種，對于整個復雜焊接件來說，焊接內(nèi)應力是相對雜亂的，我們可以通過某種方法使得雜亂無序的焊接內(nèi)應力在很大程度上相互抵消，敲擊焊接件可以在一定程度上達到此目的，在敲擊法的基礎上，振動去應力減小殘余應力方法應運而生。振動去應力設備主要包括振動源和夾緊裝置兩部分組成。其中，振動源主要是指變頻振動電機（偏心振動），配有一套頻率監(jiān)測和變頻系統(tǒng)。將焊接件通過均勻布置的數(shù)個固定點按照設計要求固定在基座上，以保證零部件在振動過程中減小應力的同時矯正變形，變頻振動電機也固定在基座上。通過變頻控制系統(tǒng)將振動頻率調(diào)整到接近焊接件的固有頻率，使之發(fā)生共振，從而施加給焊接件一定的交變應力，交變應力與焊接殘余應力疊加產(chǎn)生的內(nèi)摩擦吸能，達到材料的閾值時，焊接件發(fā)生微觀或宏觀的粘彈塑性力學變化，從而降低和均化焊接件內(nèi)部的殘余應力，以矯正變形。

如果振動確實能夠降低殘余應力峰值，這一消除應力系統(tǒng)也許可以作為減少焊后需要加工的焊接件變形的一種方法；而且如果脆性斷裂是由于高水平的殘余應力而觸發(fā)的，這種方法也許可以提高防止脆性斷裂的能力。在有些情況下由于焊接件的尺寸或形狀復雜等原因，用振動消除應力的方法不能得到塑性變形。

振動消除應力處理不能改變受到振動的焊縫或熱影響區(qū)的組織，因此不能希望此方法使受到振動處理的區(qū)域的性能得到提高或者改變。在希望用熱處理消除應力的方法來改變顯微組織而達到改變強度或者韌性的目的時，不能用振動消除應力處理代替熱處理消除應力。

3、結束語

減小、消除焊接殘余應力是焊接技術的重要課題之一，從焊接件的結構設計、焊接工藝、焊后去應力等方面入手均可以很大程度的減小、消除焊接殘余應力，這對于提高焊接件的質量、良品率有著至關重要的作用。

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[4] 陳宏鈞.機械加工工藝方案設計及案例[M].北京∶機械工業(yè)出版社，2011.1.

Practical countermeasures to minimize or eliminate the welding residual stress

Gu Hexiong, Wang Bo, Liu Wei
（1.Technical Center, Great Wall Motor Company Limited, Hebei Baoding 071000;
2. Major Lab. of Vehicle Safety Integration and Smart Control in Hebei Province, Hebei Baoding 071000）

This article focus on the causes of welding residual stress，Analyzed the methods on how to reduce or eliminate the welding residual stress in structure design，welding technology，how to deal with the stress after welding,etc.

Welding；Residual stress；Stress relieving；Correction；Annealing；Vibration

U466

A

1671-7988(2015)03--

谷賀雄，就職于長城汽車股份有限公司技術中心。