由于焊接時(shí)局部不均勻熱輸入，導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部溫度場、應(yīng)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(yīng)力作用的影響較為突出。

焊接應(yīng)力的種類

01

存在于焊接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力，按其產(chǎn)生的原因和性質(zhì)大致可分為

焊接殘余應(yīng)力
焊接以后存在于結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力，有時(shí)也叫焊接殘余應(yīng)力，因?yàn)樗诮Y(jié)構(gòu)內(nèi)任一截面上是自相平衡的內(nèi)應(yīng)力。

各種焊接應(yīng)力的大小和分布與焊接材料、鋼材的特性（如強(qiáng)度和膨脹系數(shù)）、焊接工藝方法、熱輸入、工藝參數(shù)、焊接裝配順序及操作方法有關(guān)，結(jié)構(gòu)本身或外加拘束度、焊接環(huán)境條件等也對(duì)其有影響。它們往往綜合、疊加出現(xiàn)。

焊接應(yīng)力的危害

02

造成焊接裂紋

在溫度、組織及結(jié)構(gòu)剛性拘束度的相互作用下，焊接應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，將成為各種熱裂紋、冷裂紋等產(chǎn)生的主要原因，影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量，造成潛在的危險(xiǎn)，導(dǎo)致返修或使焊件報(bào)廢。

降低結(jié)構(gòu)的承載能力

（1）焊件殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加，增加了構(gòu)件承受的應(yīng)力水平，實(shí)際上降低了結(jié)構(gòu)的承載能力或降低了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全裕量。
（2）當(dāng)應(yīng)力水平超過材料的屈服極限時(shí)，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(jié)構(gòu)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(yīng)力，降低材料塑性變形的能力，可能成為低應(yīng)力脆斷的起源點(diǎn)。
（4）在低周疲勞載荷下，較高的拉伸殘余應(yīng)力會(huì)使長期使用的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的變形。

造成應(yīng)力腐蝕
拉伸殘余應(yīng)力的存在，使工件在腐蝕介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，引起應(yīng)力腐蝕和低應(yīng)力脆斷。

影響結(jié)構(gòu)尺寸的穩(wěn)定性
特別是在焊后要加工的結(jié)構(gòu)，加工后會(huì)破壞內(nèi)應(yīng)力的平衡，引起結(jié)構(gòu)變形或加工尺寸不穩(wěn)定。

影響焊接應(yīng)力的因素

03

結(jié)構(gòu)形式的影響

（1）平板對(duì)接。縱向和橫向焊接殘余應(yīng)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(yīng)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(guān)（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(kuò)大而降低。

圖1 平板對(duì)接接頭殘余應(yīng)力的分布

圖2 圓筒環(huán)縫縱向焊接殘余應(yīng)力的分布

剛性拘束的影響

（1）平板對(duì)接。兩塊鋼板焊前在橫向加以剛性拘束，焊后對(duì)縱向應(yīng)力無大影響，兩橫向側(cè)為單一的拉伸應(yīng)力（見圖3所示）。板窄拘束應(yīng)力大，板寬則拘束應(yīng)力減小。對(duì)于長焊縫先焊端的應(yīng)力較小。撤除外加拘束后，拘束應(yīng)力消除，殘余應(yīng)力將重新分布。
（2）鑲塊接管的封閉焊縫。在板殼結(jié)構(gòu)中有管座或鑲塊，剛性拘束大。剛性越大，內(nèi)應(yīng)力也越大。鑲塊中（見圖4所示）縱向應(yīng)力（即切向應(yīng)力σt）在焊縫附近為拉應(yīng)力，最高可達(dá)σs；橫向應(yīng)力（即徑向應(yīng)力σr）在焊縫附近也為拉應(yīng)力。在鑲塊心部σt=σr，是一個(gè)雙向應(yīng)力場。鑲塊直徑越小，雙向應(yīng)力值也越高。接管焊縫的應(yīng)力與接頭形式有關(guān)，外座式應(yīng)力較小；內(nèi)插式剛度大，應(yīng)力也大。

圖3 剛性拘束對(duì)焊接應(yīng)力的影響

圖4 圓盤鑲塊封閉焊縫中的焊接應(yīng)力

板厚及坡口形式的影響

隨著板厚的不同，殘余應(yīng)力的分布也不同，而且在垂直于焊縫軸向上的橫向應(yīng)力σy也不能忽視。圖5是2.25Cr-1Mo超厚板多層埋弧焊殘余應(yīng)力的實(shí)測值。值得注意的是在表層附近殘余應(yīng)力達(dá)到峰值，這種雙向或三向應(yīng)力是這種鋼焊縫中產(chǎn)生橫向裂紋的一個(gè)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(yīng)力，有利于避免焊接裂紋，見圖6所示。

圖5 超厚板多層焊焊縫的殘余應(yīng)力

圖6 雙V形坡口對(duì)稱焊時(shí)的殘余應(yīng)力分布

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(yīng)力增大，拉伸殘余應(yīng)力寬度也增大。

焊接方向影響

橫向殘余應(yīng)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(shí)進(jìn)行所引的應(yīng)力合成。其大小和分布與板長及焊接方向有關(guān)。由中央向兩端焊時(shí)，中央為壓應(yīng)力；由兩端向中央焊時(shí)，兩端為壓應(yīng)力，見圖7所示。

圖7 焊接方向?qū)M向殘余應(yīng)力分布的影響

相變的影響

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

防止和減少焊接應(yīng)力的方法

04

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(shí)，應(yīng)使縱、橫向收縮都比較自由。結(jié)構(gòu)中收縮量最大的焊縫應(yīng)先焊，如先焊對(duì)接焊縫后焊角接焊縫。焊交叉焊縫時(shí)，焊接順序應(yīng)保證交叉點(diǎn)部位不易產(chǎn)生缺陷，且剛性較小。見圖8所示。

圖8 交叉焊縫的焊接順序

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(dòng)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(yù)熱

整體預(yù)熱可減小焊接接頭區(qū)與結(jié)構(gòu)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(yīng)力。例如鑄鐵熱焊法時(shí)把鑄件加熱到600℃。

錘擊法

焊后對(duì)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(yīng)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(dǎo)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(duì)有冷裂傾向的高強(qiáng)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(shí)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(yīng)力處理

消除焊接殘余應(yīng)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(shí)現(xiàn)的。

（1）去應(yīng)力熱處理（去應(yīng)力退火）。把焊接結(jié)構(gòu)整體或局部加熱到鋼的相變點(diǎn)以下 20~30℃保溫，以保溫時(shí)的蠕變來產(chǎn)生消除應(yīng)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(yīng)力，對(duì)厚壁結(jié)構(gòu)熱處理所需的時(shí)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(yīng)力松弛掉。同時(shí)，還改善了大多數(shù)鋼材焊接區(qū)的材質(zhì)，對(duì)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(xué)原理加載使焊接接頭拉伸殘余應(yīng)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(qiáng)度比較小的塑性材料，還要注意水溫在材料脆性轉(zhuǎn)變溫度以上，錘擊法也要遵循這個(gè)原理。近年還發(fā)展了爆炸去應(yīng)力法、振動(dòng)去應(yīng)力法。
（3）溫差拉伸法（或低溫消除應(yīng)力法）。在焊縫兩側(cè)各用一個(gè)適當(dāng)?shù)难跻胰埠妇婕訜幔诤竺嬉欢ň嚯x跟排水管噴水（見圖9），且保持等距離前進(jìn)，造成一個(gè)兩側(cè)溫度高（約200℃），焊縫溫度低（約100℃）的溫度場，使兩側(cè)熱膨脹對(duì)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(yīng)力。該方法對(duì)低碳鋼問題不大，對(duì)合金鋼要特別注意溫度對(duì)材料的影響。

圖9 溫差拉伸法