控制和消除焊接應力的措施及方法

一、控制焊接應力的措施

焊接以后留下一定的殘余應力是不可避免的，但是可以通過恰當的工藝措施給予一定程度的控制和調節，使應力值盡可能減小，分布盡可能合理。

焊接應力是由于焊后收縮受到制約造成的，制約越嚴重，內應力也就越大。因此，控制內應力的方法雖有多種，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、殘余應力比較大的焊縫。

圖1是拼接工字梁的情況。這時應事先留出一段翼板——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先受壓應力，而腹板對接縫受拉應力。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度比先焊腹板的梁高出30％。

2.預熱法

焊接溫差越大，殘余應力越大，同時從組織轉變來說，冷卻速度越快組織應力也越大。預熱可以達到減小溫差和減慢冷卻速度的目的，從而減小焊接應力。

焊件是否需要預熱，主要是從鋼材的化學成分、厚度和結構剛度等方面來考慮，而預熱溫度的選擇則主要是根據鋼材的化學成分來確定。

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，就越需要預熱，同時預熱溫度也偏高。

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

3.同步收縮法

焊縫（確切地說是有效區段）的收縮因受到旁邊冷金屬的牽制而形成拉應力，也就是說，有效區段旁邊的較冷的金屬不允許它收縮，從而形成較大的應力。如果采取適當的工藝措施，允許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板的焊接生產中控制焊接應力的重要性。因為感應板為梁結構，如圖2所示，在焊接復合板和角鋼之間的通長焊縫時很容易引起焊接變形，導致整個感應板扭曲，并產生焊接應力。這時就有必要采取同步收縮法，減小這樣的焊接變形。可在感應板兩側同時進行焊接，這樣感應板兩側的焊縫同時受熱、同時冷卻，達到了同步收縮的目的。

二、消除焊接應力的方法

消除焊接應力的方法主要有熱處理法、機械法和振動法等。

1.熱處理法

熱處理法主要是指焊后進行退火處理。焊件是否需要熱處理，主要應考慮鋼板的化學成分、厚度、結構剛性和使用條件等方面。消除應力退火分整體退火和局部退火，目前轉向架焊接生產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，所以要采取預防措施，如放置平穩和增加墊塊等。

2.機械法

機械法中的一種常見形式是“錘擊法”，是使有效區產生塑性變形的機械消除應力的方法，就是用小錘或裝有圓頭的風槍對焊縫進行錘擊。風槍應垂直于焊縫，同時風力不要過大。

機械消除應力法還有另一種形式，就是對焊接結構實行有控制的過載，也就是使構件承受比正常工作狀態下大的載荷，使構件產生局部的屈服，以降低焊接應力。施加的過載量越大，效果也就越好，如過載使整體達到屈服，殘余應力也就全部消除。對于那些不能采用熱處理方法來消除應力的工件，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力的方法。振動法不僅會降低材料的屈服極限、抗拉強度，還具有設備簡單、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生公害等優點，但目前國內機車行業較少采用此法。

（作者單位：山東省即墨市技工學校）