焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结
焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结
摘要：焊接应力是焊接构件产生裂纹和变形的主要因素，对焊接质量影响较大。因此，理解和掌握焊接残余应力的产生原因及控制方法，就显的非常重要。本文对焊接残余应力的产生对结构的影响、焊接残余应力的预防及焊接残余应力的消除方法，进行了全面的归纳和总结，为学生能更好地理解和掌握焊接残余应力的相关知识，起到了一定的帮助作用。
关键词：焊接应力产生原因控制方法
焊件在焊接过程中，由于受到了不均匀的局部加热和冷却，使焊件产生了不均匀的体积膨胀和收缩，导致焊件内部产生了焊接残余应力，而焊接残余应力又是产生裂纹和变形的主要因素。因此，为让学生能够真正理解和掌握焊接残余应力产生的原因、焊接残余应力对焊件产生的影响及如何减少和消除焊接残余应力等内容，帮助学生为今后从事焊接工作打下良好的理论基础。下面就焊接残余应力的相关知识，进行归纳和总结。
一、焊接残余应力的产生
1、焊件在焊接过程中，其焊缝高温区的膨胀受到了周边低温区的限制与挤压，使高温区域产生局部压缩塑性变形，当焊件在冷却过程中，受到局部压缩产生塑性变形的金属由于不能自由收缩，而受到低温区的拉伸，这时，焊件中就产生了一个与焊件加热时产生的应力方向相反的应力，即焊接残余应力，又称温度应力。
2、焊缝在高温向低温的冷却过程中，焊缝金属会发生二次相变，这种二次相变，会引起金属材料组织的变化，从而产生体积的变化，在焊接接头区域产生了应力，又称相变应力。
3、在焊接过程中，如对焊件采用刚性固定，那么，焊接后焊件变形减少，但应力却增加。反之，要使焊件残余应力减少，其变形量就要有一定的增加。但焊接应力与变形在一定条件下，都将影响到焊件的质量。所以，应力和变形要合理控制好。
4、焊接材料的屈服强度、导热系数、线膨胀系数、密度、比热容、焊件的形状与尺寸、焊接方法和焊接工艺等因素，对焊接残余应力的分布和大小都将产
生较大的影响。
二、焊接残余应力对焊件结构产生的影响
1、对焊件结构刚度产生的影响
当焊件某个区域所受的应力达到屈服点时，这一区域部分的金属材料就会产生局部塑性变形，无法再承受外载荷，从而导致焊接结构的有效截面减少，使焊接结构的刚度降低。
1）焊件中的拉伸应力区域越大，对焊接结构刚度的影响也越大。当卸载后，焊件残余变形也就越大。
2）焊件的结构受到弯曲时，如果焊缝所在区域的弯曲应力越大，则对焊件的刚度影响也越大。
3）当焊件的结构上，同时存在纵向焊缝和横向焊缝，或对焊件进行火焰校正时，都有可能在相当大的截面上产生拉伸应力，会对焊件的尺寸精度和焊件的稳定性产生较大的影响。
2、对焊件静载强度产生的影响
对焊件静载强度的影响，主要取决于焊件材料。如焊接材料具有一定的塑性变形能力，则焊接残余应力并不会影响焊接结构的静载强度。当焊接材料处于脆性状态时，则有可能会使焊件局部区域在应力作用下，产生断裂现象，导致焊件结构的破坏。
3、对疲劳强度产生的影响。
焊接构件的疲劳强度在焊件的应力集中处受到拉伸应力时会降低，因此，我们要从焊件的设计和工艺两方面来考虑降低应力集中系数，从而降低焊接残余应力对疲劳强度的影响程度。
4、对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响。
随着机械加工中残余应力的平衡状态被破坏，将会使焊件产生新的变形，最终导致加工精度下降。另外，焊后组织的不稳定及稳定组织在温度升高时，都会使焊接残余应力产生较大的变化，导致焊件尺寸稳定性的下降。
5、对应力腐蚀开裂产生的影响。
焊接残余应力的大小，直接影响应力腐蚀开裂的时间，焊接残余应力越大，焊件发生应力腐蚀的时间就越短。
三、焊接残余应力的减小和消除
1、焊接残余应力的减小措施。
减少焊接残余应力和改善残余应力分布可以从设计和工艺两个方面来考虑解决。并且，要采取设计优先的原则，使减小焊接应力的措施，达到事半功倍的作用。
1）设计措施。
（1）在保证焊件结构强度的前提下，可适量采用冲压结构，以减少焊接结构。尽量减少焊件焊缝的数量和截面尺寸。同时，焊缝不要过于集中，以防局部区域的热输入过大，尽量减少焊接残余应力的产生。
（2）焊缝要尽量布置在最大工作应力区以外，防止焊接残余应力与外部载荷产生的应力叠加，影响结构的承载能力。并尽量防止焊缝过于集中、交叉，保持较好的焊接操作性。
（3）采用降低局部刚度的方法和合理的接头形式，使焊缝能较自由的收缩，减少焊接接头产生应力集中现象。
（4）采取热输入较小和能量密度集中的焊接方法来减小焊接残余应力。如氩弧焊与离子弧焊等。
2）工艺措施
（1）在焊接过程中，要先焊错开的短焊缝、收缩量较大的焊缝和受力较大的焊缝。同时，根据不同的焊件结构采取相应的焊接顺序，这样才能使焊缝有较大的收缩自由，保证焊缝中的残余应力尽可能减少，并要保证焊件的焊接残余应力的分布要合理。
（2）在焊接拘束度较大的焊缝时，要注意降低焊缝的拘束度。例如，可采用反变形法来降低焊件的局部刚度，减少了焊缝拘束应力。
（3）采用合理的焊接工艺参数及合适的加工方法。如选用小直径焊丝、采用较小的焊接电流及提高焊接速度等方法来控制焊接热输入，也可采用预热、加热
减应区及捶击等方法，来减少焊缝的焊接残余应力。
2、焊接残余应力的消除措施
对易发生脆性断裂危险的截面、重要的压力容器和要保证尺寸精度、加工精度及刚度的结构，一定要进行消除应力处理。具体方法如下：
1）焊件热处理
热处理包括焊件整体高温回火和焊件局部高温回火。它是把焊件整体或局部加热至600~650℃，保温后缓慢冷却，因加热温度在相变点以下，金属组织末发生变化，只是其屈服点降低了，使内部在残余应力作用下产生一定的塑性变形，使应力得以消除。值的注意的是，整体加热要注意保温时间，局部加热要保证有足够的加热宽度。
2）机械拉伸法
对焊件施加载荷，使焊件压缩变形区域被拉伸，这样，可减少由焊接引起的局部压缩塑性变形的量，使焊接残余应力降低。值的注意的是对焊件施加载荷的方向要确定。
3）温差拉伸法
对较规则焊缝和厚度不大的板壳结构，可采用温差拉伸法。目的是对有压应力的焊缝进行拉伸，从而消除或降低焊接残余应力。
4）振动法
对一些重要的结构简单的焊件，可对其在固有频率下进行振动处理，以消除焊件内的残余应力。此种方法应用较广。
四、结束语：
焊接残余应力在焊接过程中极易产生，它对焊件的质量危害较大，造成焊件疲劳强度降低，加工精度和稳定性降低，减少了焊件的使用寿命。所以，预防和控制焊接残余应力非常重要，相信通过对焊接残余应力的产生原因、控制方法和消除方法进行分析和总结，一定会对学生理解和掌握本章内容，起到了积极的帮助作用，为学生今后从事焊接工作打下良好的理论基础。
参考文献
[1]吴金杰焊接工程师专业技能入门与精通[M]北京：机械工业出版社 2009.6