焊接殘余應力產生原因分析及消除方法

黃華強 李柏松 魏守盼 王國友

（徐州徐工礦山機械有限公司，江蘇徐州221100）

1 殘余應力分類及產生原因

焊接殘余應力是指在焊接后，無外力作用下，存在于工件內部并實現互相平衡的內應力。機械加工和強化工藝都能引起殘余應力，如焊接、冷拉、彎曲、切削加工、滾壓、噴丸、鑄造、鍛壓和金屬熱處理等。殘余應力一般是有害的，如零件在不適當的熱處理、焊接或切削加工后，會因殘余應力而發生翹曲或扭曲變形，甚至開裂。

工程機械中，焊接結構件較多，焊接過程中焊縫處金屬急劇加熱、快速冷卻，遠離焊縫處溫度變化較小，溫度梯度較大，由此產生不均勻塑性變形而導致熱應力[1]，同時，焊縫區金屬組織發生轉變將引起相變應力，使得焊縫區承受殘余拉應力，遠離焊縫區承受殘余壓應力。

焊件橫截面因各部分溫度不一樣產生的方向平行于焊縫軸線的應力稱為縱向殘余應力，方向垂直于焊縫軸線的應力稱為橫向殘余應力。

2 殘余應力的影響

殘余應力一般是有害的，當殘余應力與工作應力疊加加強時，會影響結構件疲勞強度及壽命[2]，并且隨著應力的逐步釋放，結構件會發生緩慢的變形，影響結構件尺寸穩定性，同時殘余應力還會加劇構件應力腐蝕的速度[3]。當殘余應力方向與工作應力方向相反時，殘余應力會加強結構件疲勞強度和壽命，起到應力強化的作用。

3 焊接殘余應力控制方法

3.1 焊接結構

焊接是產生焊接殘余應力的根本原因，減少焊縫數量和尺寸能有效減少焊接量，通過控制焊接量可有效減少應力。在同等焊接強度下，焊縫尺寸較小的，其焊接殘余應力較小。

應盡量避免多條焊縫在同一部位集中，焊縫距離過近時，焊縫間會產生耦合，形成復雜殘余應力場，焊縫間距離一般應大于3倍板厚且不小于100 mm。

應盡量采用剛度較小的焊接接頭形式，其結構拘束度小，能夠通過變形釋放焊接應力，殘余應力較小。

3.2 焊接工藝

結構組件拆分、焊前預熱、焊接參數設置、焊接順序等對焊接應力影響較大。

將結構件合理地拆分成若干組件，盡量在組件上完成焊縫焊接，同時減少焊接時的焊縫拘束度，由于組件剛度小，結構能夠自由變形，可通過焊接變形減少殘余應力。

焊前預熱可減少焊接時的溫度梯度與冷卻速度，使得不同部位焊接變形的差異變小，能夠有效降低焊接殘余應力。預熱溫度根據金屬材料、結構剛性、散熱情況的不同而異，溫差越小，越能使焊縫區與結構整體盡可能均勻地冷卻，從而減少內應力。對于淬硬傾向較大的材料、脆性材料或剛性較大的焊件，在焊接或焊補時常用此法。

焊接參數是影響熱輸入的重要因素，小參數焊接時熱輸入量小，能夠減少塑性變形區，進而降低焊接殘余應力。

合理的焊接順序應保證焊縫縱向和橫向收縮均能比較自由，能夠通過控制焊接變形減少焊接應力。在焊接時現場條件允許的條件下，盡量采取以下措施，以有效減小焊接殘余應力：先焊收縮量大的接頭（對接接頭），后焊收縮量小的接頭（搭接、角接接頭）；先焊錯開的短焊縫，后焊直線長焊縫或平行焊縫；盡量同時同方向焊接；從焊接結構中心向外焊接等。

4 應力消除方法

4.1 熱處理時效

熱處理法消除殘余應力的基本原理是把工件加熱到略低于再結晶開始溫度，保溫后緩慢冷卻。在加熱保溫過程中由于溫度升高，金屬原子運動能力上升，使工件中晶格缺陷減少，導致晶格彈性畸變能量降低，使得部分或全部的變形回復到初始位置，從而達到消除焊接殘余應力的目的[4]。

熱處理法在消除應力的同時，通過均化組織能夠降低焊接熱影響區的硬度，同時也可消除焊縫中的氫，提高焊接件的抗腐蝕能力、脆性斷裂強度。但熱處理能耗高、成本高、污染嚴重、周期長，并且熱處理時若溫度控制不好，局部溫度過高會造成材料屈服強度下降，甚至可能出現再熱脆化和再熱裂紋。

熱處理時效溫度應低于材料的最終熱處理溫度，否則會嚴重降低材料性能。正常情況下不對高強鋼和耐磨鋼進行熱處理時效，這正是因為其出廠時一般為淬火+回火，回火溫度一般低于再結晶開始溫度，若對其進行熱處理時效，往往會使其回火得到的組織性能受到損失。

4.2 超聲波沖擊強化

超聲波沖擊法消除殘余應力的基本原理是以大功率超聲波設備為動力源，推動沖擊工具以20 000次/s以上的頻率沖擊工件表面，使工件發生塑性變形，在工件表面形成壓應力強化作用[5]。該方法使用方便、成本低、效率高、無污染，目前在鋼結構焊件中運用十分廣泛。該方法還可提高焊接處疲勞強度，抑制焊接裂紋，降低焊接區域的應力集中，穩定構件尺寸。

該方法主要用來處理焊縫區域，尤其是焊接缺陷最多的焊趾部位，裂紋的擴展及應力集中區都集中在焊趾處。而超聲波沖擊利用超聲波高頻率、高能量的特點，瞬間提供的加速度達到重力加速度的上萬倍，帶動沖擊針，對焊縫焊趾處實行敲擊，實現焊趾處的殘余壓應力，同時塑性變形會鈍化尖端部位，閉合微觀裂紋，改善焊趾處的焊接缺陷。超聲波沖擊強化可使鋼制焊接接頭疲勞強度提高60%～180%，壽命延長10～135倍。

4.3 振動時效

振動時效消除殘余應力的原理是在激振力的作用下，使用某一頻率使金屬工件共振，通過振動使焊件各部位在交變應力與殘余應力的合力作用下產生局部屈服，引起微小塑性變形，使構件內部的殘余應力減小，并強化金屬基體。振動處理法操作簡便、時間短、成本低且節能環保，可以使焊件中的應力均勻分布，保持焊件尺寸穩定，且對工件尺寸和形狀沒有限制，對于大型復雜工件具有很好的適應性，但應力消除效果受焊件尺寸、材料及振動處理工藝的影響較大。

目前，振動時效去應力技術已得到廣泛發展，由傳統的高頻振動發展為頻譜諧波振動，振動噪音由100～120 dB降低到75 dB以下，能夠根據工件特點及激振點、支撐點位置，自動優選諧振峰進行處理，應力去除效果顯著增加。

4.4 噴丸處理法

噴丸處理法是將高速彈丸噴射到工件表面，使工件表層發生塑性變形，而形成一定厚度的強化層。強化層內形成較高的殘余應力，由于工件表面壓應力的存在，從而提高工件的疲勞強度。

有研究表明，噴丸處理法對材料的抗拉強度沒有明顯影響，可使延伸率略有降低、表面硬度有所增高、沖擊韌度略有下降，但能大幅提高循環載荷作用下金屬的疲勞強度和耐應力腐蝕能力。不過噴丸處理法會使材料表面的顯微組織結構發生變化，受噴表面變得粗糙。

5 檢測方法

殘余應力檢測方法較多，這些檢測方法可以分為機械測量法和無損測量法兩大類。機械測量法原理為將具有殘余應力的部件從構件中分離或切割出來使應力釋放，由測量其應變的變化來求出殘余應力，該方法會對工件造成一定損傷和破壞，但測量精度較高，技術也較為成熟，常見的有鉆孔法、切條法等；無損測量法就是利用聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被測量對象使用性能的前提下來測量殘余應力的方法，常見的測量方法有磁測法、X射線衍射法、超聲波法等。

[1]方洪淵.焊接結構學[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2]趙劍，卞冰.淺析焊接殘余應力的產生及影響[J].山東工業技術，2016（6）：9.

[3]王永林，余錢.循環氨水管道泄漏原因分析及防漏措施[J].安徽冶金，2010（2）：39-42.

[4]張鐵浩，王洋，方喜風，等.殘余應力檢測與消除方法的研究現狀及發展[J].精密成形工程，2017，9（5）：122-127.

[5]李棟.正面隨焊超聲波沖擊對焊接殘余應力與變形的影響[D].濟南：山東大學，2017.