控制和消除焊接應(yīng)力的措施及方法

一、控制焊接應(yīng)力的措施

焊接以后留下一定的殘余應(yīng)力是不可避免的，但是可以通過恰當(dāng)?shù)墓に嚧胧┙o予一定程度的控制和調(diào)節(jié)，使應(yīng)力值盡可能減小，分布盡可能合理。

焊接應(yīng)力是由于焊后收縮受到制約造成的，制約越嚴(yán)重，內(nèi)應(yīng)力也就越大。因此，控制內(nèi)應(yīng)力的方法雖有多種，但基本原則只有一個，就是緩和對焊縫收縮的制約。通常采用的工藝措施有以下幾種。

1.采用合理的焊接次序

所謂合理的焊接次序，主要是應(yīng)該盡量使焊縫能比較自由地收縮，特別是那些收縮比較大、殘余應(yīng)力比較大的焊縫。

圖1是拼接工字梁的情況。這時應(yīng)事先留出一段翼板——腹板角焊縫3，先焊接受力最大的翼板對接焊縫l，然后再焊接腹板對接焊縫2，最后焊滿角焊縫3。這種焊接次序可以使翼板的對接焊縫預(yù)先受壓應(yīng)力，而腹板對接縫受拉應(yīng)力。角焊縫留在最后焊可以保證腹板有一定的收縮余地，同時也有利于在翼板對接焊時采取反變形措施以防止角變形。實驗證明，這樣焊成的梁的疲勞強(qiáng)度比先焊腹板的梁高出30％。

2.預(yù)熱法

焊接溫差越大，殘余應(yīng)力越大，同時從組織轉(zhuǎn)變來說，冷卻速度越快組織應(yīng)力也越大。預(yù)熱可以達(dá)到減小溫差和減慢冷卻速度的目的，從而減小焊接應(yīng)力。

焊件是否需要預(yù)熱，主要是從鋼材的化學(xué)成分、厚度和結(jié)構(gòu)剛度等方面來考慮，而預(yù)熱溫度的選擇則主要是根據(jù)鋼材的化學(xué)成分來確定。

一般來說，鋼材含合金元素越多，越容易形成淬硬組織；而合金元素含量越多的鋼材，就越需要預(yù)熱，同時預(yù)熱溫度也偏高。

鋼板越厚越要求預(yù)熱。因為鋼板越厚散熱越快，冷卻越快，就越需要通過預(yù)熱來減慢冷卻速度。所以對一些含合金元素較低的鋼種不需要預(yù)熱，但鋼材若具有一定厚度時就要增加一道預(yù)熱工序。剛度越大的結(jié)構(gòu)，越需要預(yù)熱。因為結(jié)構(gòu)的剛度越大，焊縫收縮所受到的制約也越大，應(yīng)力就越大，所以需要通過預(yù)熱來降低焊接應(yīng)力。

3.同步收縮法

焊縫（確切地說是有效區(qū)段）的收縮因受到旁邊冷金屬的牽制而形成拉應(yīng)力，也就是說，有效區(qū)段旁邊的較冷的金屬不允許它收縮，從而形成較大的應(yīng)力。如果采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧试S它或者部分地允許它收縮，就可以免除或者部分地免除殘余焊接應(yīng)力。同步收縮法就是基于這個原理所采取的工藝措施。

下面通過實例介紹在地鐵感應(yīng)板的焊接生產(chǎn)中控制焊接應(yīng)力的重要性。因為感應(yīng)板為梁結(jié)構(gòu)，如圖2所示，在焊接復(fù)合板和角鋼之間的通長焊縫時很容易引起焊接變形，導(dǎo)致整個感應(yīng)板扭曲，并產(chǎn)生焊接應(yīng)力。這時就有必要采取同步收縮法，減小這樣的焊接變形。可在感應(yīng)板兩側(cè)同時進(jìn)行焊接，這樣感應(yīng)板兩側(cè)的焊縫同時受熱、同時冷卻，達(dá)到了同步收縮的目的。

二、消除焊接應(yīng)力的方法

消除焊接應(yīng)力的方法主要有熱處理法、機(jī)械法和振動法等。

1.熱處理法

熱處理法主要是指焊后進(jìn)行退火處理。焊件是否需要熱處理，主要應(yīng)考慮鋼板的化學(xué)成分、厚度、結(jié)構(gòu)剛性和使用條件等方面。消除應(yīng)力退火分整體退火和局部退火，目前轉(zhuǎn)向架焊接生產(chǎn)中常采用的就是整體退火法。

但值得注意的是，退火法是無法消除焊接變形的，若退火不當(dāng)還會增加工件的變形，因為溫度越高材料越容易變形，所以要采取預(yù)防措施，如放置平穩(wěn)和增加墊塊等。

2.機(jī)械法

機(jī)械法中的一種常見形式是“錘擊法”，是使有效區(qū)產(chǎn)生塑性變形的機(jī)械消除應(yīng)力的方法，就是用小錘或裝有圓頭的風(fēng)槍對焊縫進(jìn)行錘擊。風(fēng)槍應(yīng)垂直于焊縫，同時風(fēng)力不要過大。

機(jī)械消除應(yīng)力法還有另一種形式，就是對焊接結(jié)構(gòu)實行有控制的過載，也就是使構(gòu)件承受比正常工作狀態(tài)下大的載荷，使構(gòu)件產(chǎn)生局部的屈服，以降低焊接應(yīng)力。施加的過載量越大，效果也就越好，如過載使整體達(dá)到屈服，殘余應(yīng)力也就全部消除。對于那些不能采用熱處理方法來消除應(yīng)力的工件，過載法是比較好的一種方法。

3.振動法

振動法是通過低頻振動來消除應(yīng)力的方法。振動法不僅會降低材料的屈服極限、抗拉強(qiáng)度，還具有設(shè)備簡單、能量消耗少、操作方便、需要時間短、不破壞工件表面狀況以及不產(chǎn)生公害等優(yōu)點，但目前國內(nèi)機(jī)車行業(yè)較少采用此法。

（作者單位：山東省即墨市技工學(xué)校）