焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因及處理方法

1．焊接應(yīng)力的分類

焊接過(guò)程是一個(gè)先局部加熱，然后再冷卻的過(guò)程。焊件在焊接時(shí)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(shí)焊件中的應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力。焊接應(yīng)力包括沿焊縫長(zhǎng)度方向的縱向焊接應(yīng)力，垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的橫向焊接應(yīng)力和沿厚度方向的焊接應(yīng)力。

2．焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響

（1）對(duì)結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度的影響：焊接應(yīng)力不影響結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度。

（2）對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響：焊接殘余應(yīng)力降低結(jié)構(gòu)的剛度。

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

（4）對(duì)低溫冷脆的影響：增加鋼材在低溫下的脆斷傾向。

（5）對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響：焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)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(guò)程中，對(duì)焊件進(jìn)行不均勻加熱和冷卻，是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因。

減少焊接應(yīng)力與變形的工藝措施主要有：

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

三、剛性固定法。焊接時(shí)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(huì)增大焊接應(yīng)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(shí)，應(yīng)先焊錯(cuò)開(kāi)的短焊縫，再焊直通長(zhǎng)焊縫，以防在焊縫交接處產(chǎn)生裂紋。如果焊縫較長(zhǎng)，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(yīng)力和變形。

五、錘擊焊縫法。在焊縫的冷卻過(guò)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(yīng)力和變形。

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

七、焊前預(yù)熱和焊后緩冷。預(yù)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(lái)，從而減少焊接應(yīng)力與變形。焊后消除應(yīng)力處理：

1、整體熱處理：消除應(yīng)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(shí)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(yīng)力。

另外還有爆炸消除應(yīng)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(shí)采用這種方法?？刹捎没鹧?、紅外、電阻、感應(yīng)等加熱方式，應(yīng)保持均勻加熱并具有一定的加熱寬度。低合金高強(qiáng)鋼，一般在焊縫兩側(cè)各100~200mm。

3、機(jī)械拉伸、水壓試驗(yàn)、溫差拉伸、振動(dòng)法等這幾種方法只能消除20~50%的殘余應(yīng)力，前兩種方法在生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用。

焊接后進(jìn)行去應(yīng)力處理，有自然時(shí)效處理（時(shí)間長(zhǎng)，去應(yīng)力不徹底，）、震動(dòng)時(shí)效（效率高，費(fèi)用低，只能去除焊接應(yīng)力的70%左右）人工加熱時(shí)效（時(shí)間短費(fèi)用較高，能100%去除焊接應(yīng)力，同時(shí)能進(jìn)行去氫處理）。

采用大型燃油退火爐，進(jìn)行焊后退火處理。采用多點(diǎn)加熱、多點(diǎn)溫度控制方式

，溫控采用熱電偶自動(dòng)控制儀表控制加熱，使?fàn)t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(shí)能去除焊接過(guò)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(guò)程中，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，高者在屈服極限附近。構(gòu)件中的殘余應(yīng)力大多數(shù)表現(xiàn)出很大的有害作用；如降低構(gòu)件的實(shí)際強(qiáng)度，降低疲勞極限，造成應(yīng)力腐蝕和脆性斷裂。并且由于殘余應(yīng)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(yīng)力，是十分必要的。

傳統(tǒng)的時(shí)效方法有：熱時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效、自然時(shí)效、靜態(tài)過(guò)載時(shí)效、熱沖擊時(shí)效等。后兩種方法應(yīng)用較少，這里不作介紹

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

熱時(shí)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(shí)，再嚴(yán)格控制降溫速度至150℃以下出爐，達(dá)到消除殘余應(yīng)力的目的，可以保證加工精度和防止裂紋產(chǎn)生。

振動(dòng)時(shí)效（VSR）又稱振動(dòng)消除應(yīng)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(jìn)行數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘的振動(dòng)處理，以振動(dòng)的形式給工件施加附加應(yīng)力，當(dāng)附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加