焊接残余应力的控制和消除

焊接残余应力的控制和消除

一、控制焊接残余应力的方法焊接残余应力可以从设计和工艺两方面控制。

（一）设计方面

应该在保证结构件有足够强度的前提下，尽量减少结构的刚性，采用全焊透的对接接头，有不等厚的要削薄圆滑过渡，减少焊接接头的数量、长度和尺寸，优先选用焊接性能好、韧性高的母材和焊材。焊接接头尽量对称于结构件截面的中心轴布置，避免密集和交叉布置。如 GB150 中规定筒节长度应不小于300mm，相邻筒节A类接头焊缝中间外圆弧长应大于板厚的3倍且不小于100mm;重要的T形结构采用根部焊透或深熔透结构;不在焊接接头上开孔;采用焊接接头系数（焊接接头系数指对接焊接的接头强度与母材强度的比值）为1的焊接接头，对接焊接接头要求100%射线检测;控制焊缝咬边深度和长度等;角焊缝凹形圆滑过渡;选择合理的焊接接头形式，将焊接接头布置在结构件最大应力区之外。

（二）工艺方面

1.焊前预热

焊前预热可使焊接接头的金属温差减少，减缓焊后冷却速度，从而降低焊接应力。

预热分整体预热法和局部预热法（包括加热减应区法）。局部预热法指焊接前，在结构件适当部位进行加热，如图5-8所示，使此部位伸长，在焊后冷却时，加热区和焊接接头的收缩方向相同，从而降低内应力。

2.选择合理的组焊顺序和方向施焊前，应考虑焊缝尽可能自由收缩，以减小结构的拘束度。厚板焊接时，可采用多层多道焊。焊接长焊缝或大型结构件时，焊接顺序应从中间向两端或四周顺序进行焊接。如锅炉管板与管束、冷凝器和换热器的管板焊接宜采用放射交叉式的焊接顺序，如图5-9b所示。对于多焊接接头，焊缝收缩量不同时，应先焊收缩量大的焊接接头，如图5-9c所示。在结构上同时存在对接接头和角接接头时，就先焊对接接头，如盖板对接的工字梁，因为盖板对接焊缝的横向收缩量大，必须先焊，然后再焊接主角焊缝，图5-10所示。装配焊接复杂多样的结构，应根据结构件的不同特点，分成几个简单部件，分别装配焊接后再总装焊接。结构上对称的焊缝，应对称施焊，使其变形能相互抵消一部分。焊缝布置不对称的结构，如焊缝分布在中性轴一侧，则可先焊靠近中性轴的焊缝，然后焊接远离中性轴的焊缝。一般应遵循先焊对接焊缝，再焊角接焊缝;先焊短焊缝再焊长焊缝;先焊纵焊缝，再焊环焊缝;先焊间隙小的焊缝，再焊间隙大的焊缝;先焊变形小的焊缝，再焊变形大的焊缝等原则。

3.选择合理的焊接参数

在保证焊接质量的前提下，尽量选用较小的焊接电流和较快的焊接速度，减小焊接热输入，以减少工件的受热范围。对于厚板多道焊焊缝，选择小的焊接参数进行多层多道焊，并控制道间和层间温度，能有效减小焊接残余应力。

4.预制反变形法

预制反变形法指通过预先留出焊缝能够自由收缩的余量，使焊缝能够在一定程度上收缩，从而降低焊接残余应力。在焊接封闭环焊缝或其他刚性较大、自由度较小的焊缝时，可采取反变形措施，可以有效地控制焊接残余应力，如图5-11所示。

5.锤击焊缝

每焊完一道焊缝，在焊缝冷却的同时用圆头小

锤均匀地锤击焊缝使之延展，可以减小焊接残余应力。锤子重量为0.5kg左右，锤端带有R10mm 左右的圆角，锤击时焊缝的温度应在300℃以上或100~150℃左右的范围内，不宜在200~300℃（蓝脆温度）温度区间进行。多层焊时，第一层和最后一层不宜锤击以免影响质量，其余每层都要锤击。锤击时力度应保持均匀、适度。第一层不宜锤击是为了防止引起根部裂纹，最后一层不宜锤击是为了防止冷加工效应可能引起缺口冲击韧度的降低及影响表面质量。

6.减小氢的存在

为了减小氢致应力集中，尽可能选择低氢型碱性焊接材料，焊接材料应严格按要求烘焙后使用，并且对焊接区域及其附近采取预热、打磨等措施，去除水分、油污、铁锈等有害物质。有必要时焊后对接头进行消氢处理，方法是加热到 300~350℃，保温2h，这样有利于扩散氢的逸出。

二、消除焊接残余应力的方法

焊接残余应力存在于焊接结构中，会导致焊接结构的承载能力下降。如使焊接结构的抗疲劳、抗脆断、抗应力腐蚀能力的降低，尺寸稳定性下降，增大受压杆件、梁的失稳性等。一般焊接残余应力的影响只有在一定的条件下才表现出来，如低温、疲劳载荷、存在焊接缺陷、尺寸精度要求较高等工况。事实证明，许多结构未进行消除焊接残余应力处理，也能安全运行。焊接结构是否应消除焊接残余应力，要根据结构的用途、所选用材料的性能等方面综合考虑。焊接残余应力形成的根源是近缝区在焊接过程中产生的压缩塑性变形。因此消除残余应力的实质就是使焊接区产生适量的塑性伸长。按其性质，消除焊接残余应力的方法可分为热处理法和机械法。热处理法有整体和局部消除应力热处理，机械法分为过载拉伸、振动等。

（一）焊后热处理消除焊接残余应力

焊后热处理也叫高温回火处理，是目前最常用的焊后热处理方法。就是将工件整体或局部加热到一定温度，保温一定时间，其间，工件金属不会发生相变，但屈服强度降低，在残余应力的作用下产生一定的塑性变形，达到消除焊接残余应力的目的，然后缓慢冷却。部分钢材的消除应力热处理温度及保温时间见表5-4。工件进出炉的温度应在400℃以下，当加热到400℃以上，升温速度不得超过5500/6wur℃/h，且不得超过220℃/h，一般情况不低于55℃/h。再缓慢降温，在400℃以上，降温速度不得超过7000/8pwur℃/h，且不得超过280℃/h，一般情况不低于55℃/h。到400℃以下，可以出炉空冷，也可以随炉冷却。经过整体焊后热处理，工件上残余应力将有85%左右被消除。

当某些焊接结构件尺寸过大或不允许整体应力热处理时，如大型号厚壁容器、球罐等，可以选择分两次热处理或局部消除焊接残余应力热处理。分两次热处理时，重叠加热部分就在1500mm 以上。局部消除焊接残余应力热处理可以降低焊接结构件残余应力的峰值，使应力分布趋于平缓，改善焊接接头的力学性能。局部热处理只适用于比较简单的工件，加热前应在外壁包裹绝热层，以降低温差和冷却速度，热处理加热宽度应大于焊缝每侧板厚的两倍。加热方法可选用电阻丝、远红外线、火焰、工频感应等。目前较常用的是远红外线加热方式。

（二）过载拉伸消除焊接残余应力

焊后对工件进行整体拉伸，能使焊接接头在拉力作用下产生一定塑性变形，与压缩残余变形相互抵消，以达到减小残余应力的目的。但整体拉伸程度要严格控制，以防止破坏工件的材料力学性能。锅炉压力容器耐压试验的压力一般大于工作压力，在进行耐压试验的同时也对工件进行了一次整体过载拉伸消除焊接残余应力。

（三）机械振动消除焊接残余应力

机械振动消除残余应力是用激振器使结构产生一个或多个共振或亚共振，使焊接残余应力得以释放，从而降低焊接残余应力或使应力重新分布。机械振动消除焊接残余应力的优点是设备简单、时间短、费用低、节能，目前在工件、铸件、锻件中应用较多，能有效提高工件的尺寸稳定，消除残余应力25% ～60%。但振动处理过程中，可能会产生裂纹或引起裂纹扩展，因此在脆断、疲劳、应力腐蚀危险的情况下不宜采用。

机械振动消除焊接残余应力，激振器的安装位置及工件的支撑很关键，一般激振器应安装在工件振动的波峰处，支撑物可用具有弹性的橡胶等，支撑位置应在工件振动的波节处，如图5-12所示，以便最大限度地释放能量。波峰和波谷的位置可采用沙子或凭手感确定。