淺談焊接應力處理

（攀枝花市華森職業學校 四川 攀枝花 617200）

在焊接結構中，焊接應力作為有害因素之一，其根除的難度性較高，所以要對其原因和基本規律進行深入分析，從而對焊接應力的分布和大小進行有效控制，防止破壞現象的出現，以免造成不必要的經濟損失。在焊接裂紋形式中，冷裂紋、熱裂紋、再熱裂紋等比較常見，焊接應力發揮著重要作用，其危害性也是不容忽視的。在焊接應力的產生方面，其相關性因素主要包括焊接材料的物理冶金性能、焊接過程不平衡的加熱等。其大小、對于焊接接頭的拘束度、母材厚度等起到一定的決定性作用。

1.焊接應力的產生及影響因素

1.1 液態焊縫金屬結晶凝固具有收縮率的影響。相比于液態金屬，固態金屬的致密性特點顯著，所以在金屬材料由液態結晶為固態的情況下，其體積縮小程度是不同的，該金屬材料的收縮率，出自于縮小的體積與原液態金屬體積的比值。對金屬鍵連接的形成進行分析，主要體現在焊縫金屬與母材熔合，液態焊縫金屬凝固后體積的收縮，對母材的焊接拉應力程度比較明顯，也就是收縮應力。對其大小進行分析，與接頭填充金屬的量之間有著密切的聯系，填充越多，會明顯增加凝固后體積的收縮量，進而使應力也越來越突出。在接頭拘束度小的狀態下［1］，該應力的焊接變形比較明顯，反之，在接頭的拘束度大的狀態下，通常來說，應力很難通過變形獲得釋放，所以在接頭中會形成積聚，在具備條件后，如定量的H得到聚集，而且淬硬組織也由此產生，這種能量基于冷裂紋形式，可以大大提高釋放效率，從而導致結構失效現象的出現。

在液態金屬開始結晶且固體晶粒間連為整體時，焊縫中收縮應力開始產生，在熔池結晶的影響下，其值變化由小慢慢變大。如圖1所示，圖左上，柱狀晶粒的生成主要借助于熔合線，且在晶粒與相鄰晶粒結合的情況下，會為收縮應力的產生創造有力條件即產生，此時液態金屬沿熔合線結晶，其形狀類似于碗裝，所以可以得出“應力值小”這一結論；圖右上，在結晶不斷發展過程中，一定程度上增加了固態金屬的厚度，其收縮應力的增大趨勢越來越明顯；圖下中，在收縮應力最大的情況下，液態金屬結晶已經結束，此時極容易造成熱裂紋的出現。

圖1 焊縫結晶過程對應力的影響示意圖

1.2 焊接熱影響區對應力的影響。以圖2為例，金屬材料局部加熱區利用陰影區來進行表示，該部位受熱膨脹狀態顯著。在加熱到的金屬紅熱狀態時，其強度并不大，而且與相鄰低溫度材料的強度具有明顯的差距，此時其塑性比較明顯。所以對該加熱部位進行分析，不會出現膨脹現象，而且正常來說，虛線和實線之間的這部分體積會出現增大膨脹，但是在臨近材質擠壓作用下，壓縮塑性變形由此產生［2］。基于此，面對溫度降到常溫狀態，相比于加熱之前的體積，該加熱部位冷卻后的體積要較小，所以相鄰材料的拉應力由此出現。在生產過程中，火焰矯形比較常見，這主要得益于金屬材料特性來實現。如果材料被加熱的溫度并不高，因為強度和硬度較高，所以彈性變形得到了充分體現，在溫度恢復與常溫相符時，與原體積大小相差并不大，殘余應力自然得到有效控制。

相比于焊縫金屬，熱影響區的應力分布的復雜程度較高，其影響因素主要包括前述熱脹冷縮、焊縫金屬收縮應力、熱影響區組織相變等。如過熱區冷卻后的組織（如馬氏體、珠光體），其致密度并不相同，從而使體積、應力狀況也有所不同。

圖2 金屬材料熱脹受擠壓示意圖

2.焊接應力的處理和控制措施

2.1 直接控制材料的收縮率。目前，新型焊材得到了廣泛應用，其低溫相變特點顯著，對于高強鋼產生了很大的影響，通過對此種焊材焊接的應用，焊縫的殘余應力低和焊接變形并不大。在其利用方面，主要是指在該焊材熔敷后，可以使一種針狀馬氏體組織由此產生，而馬氏體組織的比容非常大［3］，由此可以看出，收縮率最小這一結論成立，從而對于實現小的殘余應力和焊接變形具有一定的幫助，即使在焊前不預熱施焊，裂紋現象也可以得到有效避免。

2.2 時效處理。對于高溫時效來說，也就是焊后熱處理，在溫度較高的情況下，基于焊接殘余應力的作用，材料出現蠕變的可能性較高，從而釋放其應力，這在消應處理措施中發揮著明顯的優勢。此外，敲擊或震動時效等也比較適用。

2.3 優化焊接工藝。其中，窄間隙或優化坡口角度等比較適用，以此來對焊縫填充量進行控制；高能焊接方法也具有一定的應用價值，在對焊縫填充量的控制和減少熱影響區寬度方面具有明顯的優勢；在設計焊接順序時，應確保高度的合理性，在拼接焊中，要遵循先長后短這一原則，為自由變形創造有力條件，這非常適用于收縮量大的焊縫；為了滿足減小熱輸入需求，多層多道焊非常適用；對于焊接工藝參數，應將其控制在合理范圍內，不斷提高接頭的組織形態的控制效果。

如果裝配間隙過大，應加強堆焊方式的應用，其中，應在單側坡口面上實施，在間隙滿足合適要求的情況下，為將兩件相連施焊奠定基礎。先堆焊的部分，在兩件之間不會產生收縮應力，要想收縮應力順利產生和出現，僅僅借助于后施焊的連接焊縫才能完成。也就是說，對接頭的填充金屬進行控制，從而可以達到減小應力的需求。

3.結束語

針對于各種焊接結構，焊接應力的有害特點突出，不僅會造成變形的出現，很難保證尺寸的精度性，而且還會導致裂紋現象的出現，加劇結構失效的發生。基于此，應對焊接應力產生的因素進行深入分析，對影響焊接應力的基本規律予以明確化，從而滿足焊接應力的控制目的。