焊接應力是個啥？6種方法輕松去除！

由于焊接時局部不均勻熱輸入，導致構件內(nèi)部溫度場、應力場以及顯微組織狀態(tài)發(fā)生快速變化，容易產(chǎn)生不均勻彈塑性形變，因此采用焊接工藝加工的工件較其他加工方式而言受到殘余應力作用的影響較為突出。

焊接應力的種類

01

存在于焊接結構中的應力，
按其產(chǎn)生的原因和性質大致可分為

熱應力：

焊接過程中不均勻加熱和冷卻而引起的應力。它是在焊接過程中變化的瞬時應力。

相變應力：

焊接過程中由于接頭區(qū)產(chǎn)生不均勻的組織轉變而引起的應力，多在碳當量較高或工藝不當時產(chǎn)生。

拘束應力：

焊接過程中由于結構本身或外加拘束作用而引起的應力。

氫致應力：

焊接以后焊接接頭區(qū)由于擴散氫聚集在顯微缺陷處而引起的局部應力。含氫量多時易產(chǎn)生。

焊接應力的危害

02

造成焊接裂紋

在溫度、組織及結構剛性拘束度的相互作用下，焊接應力達到一定值時，將成為各種熱裂紋、冷裂紋等產(chǎn)生的主要原因，影響結構質量，造成潛在的危險，導致返修或使焊件報廢。

降低結構的承載能力

（1）焊件殘余應力與工作應力疊加，增加了構件承受的應力水平，實際上降低了結構的承載能力或降低了結構的強度安全裕量。
（2）當應力水平超過材料的屈服極限時，將造成接頭區(qū)的拉伸塑性變形，消耗材料的一部分塑性。
（3）在厚壁結構的焊接區(qū)，立體交叉焊縫或焊縫中存在的缺陷，都有可能造成三向拉伸應力，降低材料塑性變形的能力，可能成為低應力脆斷的起源點。
（4）在低周疲勞載荷下，較高的拉伸殘余應力會使長期使用的結構產(chǎn)生一定程度的變形。

造成應力腐蝕
拉伸殘余應力的存在，使工件在腐蝕介質中的結構產(chǎn)生應力腐蝕開裂，引起應力腐蝕和低應力脆斷。

影響結構尺寸的穩(wěn)定性
特別是在焊后要加工的結構，加工后會破壞內(nèi)應力的平衡，引起結構變形或加工尺寸不穩(wěn)定。

影響焊接應力的因素

03

結構形式的影響

（1）平板對接。縱向和橫向焊接殘余應力的分布見圖1所示。
（2）壓力容器筒體環(huán)縫。縱向焊接殘余應力大小和分布與筒體直徑、筒體壁厚及壓縮塑性變形區(qū)的寬度有關（見圖2所示），且隨圓筒直徑的增加而增加，隨塑性變形區(qū)的擴大而降低。

圖2 圓筒環(huán)縫縱向焊接殘余應力的分布

板厚及坡口形式的影響

隨著板厚的不同，殘余應力的分布也不同，而且在垂直于焊縫軸向上的橫向應力σ_y也不能忽視。圖5是2.25Cr-1Mo超厚板多層埋弧焊殘余應力的實測值。值得注意的是在表層附近殘余應力達到峰值，這種雙向或三向應力是這種鋼焊縫中產(chǎn)生橫向裂紋的一個重要原因。若將V形坡口改為雙V形坡口，則在雙V形坡口根部產(chǎn)生壓應力，有利于避免焊接裂紋，見圖6所示。

焊接工藝參數(shù)的影響

隨焊接熱輸入的增加，加熱寬度和殘余應力增大，拉伸殘余應力寬度也增大。

焊接方向影響

橫向殘余應力是由焊縫及其附近塑性變形區(qū)的縱向和橫向收縮不同時進行所引的應力合成。其大小和分布與板長及焊接方向有關。由中央向兩端焊時，中央為壓應力；由兩端向中央焊時，兩端為壓應力，見圖7所示。

相變的影響

焊接碳當量較高的高強鋼時，HAZ和焊縫組織將發(fā)生由奧氏體向馬氏體的轉變，使比容增大。在這種轉變溫度下，材料已恢復彈性，所以出現(xiàn)相變應力。它與不均勻的塑性變形引起的焊接應力疊加，在相變區(qū)可能為壓應力，而體積（三向）膨脹也可能在某些部位引起相當大的橫向拉伸相變應力，這是產(chǎn)生冷裂紋的主要因素之一。

防止和減少焊接應力的方法

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采用合理的焊接順序和方向

基本原則是：焊接平面上的焊縫時，應使縱、橫向收縮都比較自由。結構中收縮量最大的焊縫應先焊，如先焊對接焊縫后焊角接焊縫。焊交叉焊縫時，焊接順序應保證交叉點部位不易產(chǎn)生缺陷，且剛性較小。見圖8所示。

盡量采用小的焊接熱輸入

小的焊接熱輸入可以減小不均勻加熱區(qū)的范圍及焊縫收縮量。在操作上采用小直徑焊條、多層多道焊、小電流快速不擺動焊及焊接熱源集中的高能焊法，控制層間溫度分段焊及分段倒退焊等，以減小熱輸入。

采用整體預熱

整體預熱可減小焊接接頭區(qū)與結構整體之間的溫度差，以減小焊接熱循環(huán)中不均勻的脹縮引起的不均勻塑性變形，減小焊接應力。例如鑄鐵熱焊法時把鑄件加熱到600℃。

錘擊法

焊后對焊道迅速均勻地錘擊，使焊縫金屬產(chǎn)生塑性變形，既可減小焊接變形，也可減小焊接應力。一般要用扁長圓頭的錘子（可用鏨子改制，切不可用尖口）依次錘擊，力量要適中，使2mm范圍內(nèi)受到影響。要根據(jù)材料特性選擇焊道長度和錘擊溫度。一般根部焊道不錘擊以免導致裂紋，蓋面焊道不錘擊以免影響美觀。

降低氫的影響

特別對有冷裂傾向的高強度合金鋼，要注意降低氫的影響。如采用低氫焊條、堿性焊劑，并按規(guī)定烘干和裝在干燥筒中保存，隨用隨取，去除坡口表面的水分和油、銹等，控制焊接環(huán)境溫度，必要時采取去氫處理，即焊后立即趁熱升溫至250℃保溫2~3h或350℃保溫1~2h，視情況而定。

消除應力處理

消除焊接殘余應力是通過使焊接區(qū)附近造成拉伸塑性變形，減小殘余塑性變形程度來實現(xiàn)的。

（1）去應力熱處理（去應力退火）。把焊接結構整體或局部加熱到鋼的相變點以下 20~30℃保溫，以保溫時的蠕變來產(chǎn)生消除應力所需要的塑性變形。在一定溫度下保溫約1h就能有效地消除應力，對厚壁結構熱處理所需的時間，大部分是用在加熱和冷卻上。用這種方法一般可將70%~90%的殘余應力松弛掉。同時，還改善了大多數(shù)鋼材焊接區(qū)的材質，對于有回火脆性的材料或有再熱裂紋傾向的材料，就要注意慎重選擇加熱速度和保溫溫度。
（2）加載法。利用力學原理加載使焊接接頭拉伸殘余應力區(qū)產(chǎn)生塑性變形，降載后松弛接頭區(qū)的拉伸力。這種方法只適用于屈服強度比較小的塑性材料，還要注意水溫在材料脆性轉變溫度以上，錘擊法也要遵循這個原理。近年還發(fā)展了爆炸去應力法、振動去應力法。
（3）溫差拉伸法（或低溫消除應力法）。在焊縫兩側各用一個適當?shù)难跻胰埠妇婕訜?，在后面一定距離跟排水管噴水（見圖9），且保持等距離前進，造成一個兩側溫度高（約200℃），焊縫溫度低（約100℃）的溫度場，使兩側熱膨脹對焊縫產(chǎn)生拉伸塑性變形，以抵消原來的收縮塑性變形，松弛殘余應力。該方法對低碳鋼問題不大，對合金鋼要特別注意溫度對材料的影響。

圖9 溫差拉伸法