焊接应力是个啥？6种方法轻松去除！

因为在焊接的时候, 局部地区会接收不均匀的热输入, 从而导致构件的内部温度场、应力场以及显微组织状态发生快速变化, 这样就很容易产生不均匀的弹塑性形变, 所以说, 采用焊接工艺来加工的工件, 比起其他的加工方式而言, 受到残余应力作用的影响是比较突出的。

焊接应力的种类

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这些应力是存在于焊接结构里面的。

按其产生的原因和性质大致可分为

热应力：

在焊接的时候, 因为加热和冷却都不均匀, 所以就引起了应力。这种应力是在焊接这个过程的期间里不断变化着的瞬间应力。

相变应力：

在焊接的时候, 因为接头的地方会出现组织转变不均匀的情况, 所以就会产生应力, 这种应力大多数是在碳当量比较高或者是工艺不正确的时候出现的。

拘束应力：

在焊接的过程当中, 由于结构自身的原因或者是外加的拘束作用的影响, 从而导致出现了应力这种情况。

因为氢的作用而造成的应力。

焊接之后, 氢元素会扩散并且聚集在显微缺陷所在的那些地方。这种聚集现象会在局部引发应力。当材料内部的含氢量比较多的时候, 就容易产生这种情况。

焊接残余应力

在焊接作业完成之后, 于内部结构里面所产生的那种应力现象, 在有的场合之下也会被称之为是焊接残余应力, 这是因为此种应力存在于该结构里面的任何一个单独的横截面上的时候, 它都会展现出一种自我相互平衡的状态, 从而属于内应力的范畴。

各种焊接应力, 它们的大小以及分布情况, 是和焊接材料的性质有关系的, 是和钢材的特性有关系的, 比如强度和膨胀系数这些东西是有关的, 同时也是和焊接工艺方法的关系很大, 和热输入的关系也是存在着的, 和工艺参数有关系, 和焊接装配顺序及操作方法都是有关系的, 另外结构本身或者外加拘束度这样的因素, 还有焊接环境条件这些方面, 也是会对它产生影响的, 所以这些事情综合在一起出现, 往往是同时存在的, 它们是叠加在一起的。

焊接应力的危害

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造成焊接裂纹

温度、组织还有结构刚性拘束度这些方面互相作用, 焊接应力达到了一定的时候, 它就会是导致热裂纹和冷裂纹等各种裂纹出来的主要因素。这样的话, 就会给结构的质量带来影响, 还会造成潜在的危险, 以至于出现返修的情况, 或者让焊件直接报废。

把那个结构的承载能力给降低下来。

（1）当焊件里面剩下的那些应力, 和工作时候产生的应力加在一块儿的时候, 会让构件承受的压力变得更高, 这么做的话, 实际上就会让这个结构能够承担负载的能力变差, 或者会让那个用来保命的强度安全的那个余量变少。

（2）如果应力水平超过了材料的屈服极限, 那么接头区就会发生拉伸性质的塑性变形, 这个情况会消耗掉材料所拥有的一部分塑性的能力。

（3）对于厚壁结构的焊接区来说, 立体交叉焊缝或者是焊缝里面存在的缺陷这些情况都可能会造成三向拉伸应力。这种情况会使得材料塑性变形的能力降低。而它也有可能成为低应力脆断的起源点。

（4）因为受到了那些周期次数并不算多的反复加载, 也就是所谓的低周疲劳载荷嘛, 所以当结构里面残留下来的拉伸应力数值比较高的时候, 它会在很长一段时间的使用时间里, 慢慢长出一些变形的情况出来。

这是因为会产生应力, 进而引发腐蚀。

因为拉伸残余应力的这种状态确实存在着, 这就使得工件在进入到腐蚀介质的环境里面的时候, 其结构会直接地产生出了应力腐蚀开裂的这种故障情况下来, 进而就会引起了所谓的应力腐蚀这样的现象出现同时也会引起低应力脆断这样比较严重的损坏情形发生。

影响结构尺寸的稳定性

特别是对于那些在焊接完成后还需要进行机械加工的结构件而言, 因为后续的加工环节会使得原本处于平衡状态的内应力遭到破坏, 所以这就非常容易导致整个结构出现变形问题, 或者说会让最终测得的加工尺寸无法保持稳定。

影响焊接应力的因素

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结构形式的影响

（1）平板对接的情况是这样的, 纵向的焊接残余应力分布和横向的焊接残余应力分布呢, 都出现在了图1这个位置上面。

（2）压力容器筒体环缝那里的纵向焊接残余应力, 它的大小和分布情况跟筒体的直径、筒体的壁厚还有压缩塑性变形区的宽度是有关系的（见图2所示）。并且这个应力数值还会随着圆筒直径的变大而上升, 也会随着塑性变形区的扩大而减小。

图1展示的是平板对接接头的残余应力在空间里的具体分布情况。

如图2所示, 我们对圆筒环缝纵向焊接残余应力的分布情况做了展示。

刚性拘束的影响

（1）进行平板对接。也就是先把两块钢板放好, 然后在焊接之前的时候, 在横向的方向上面加上刚性的拘束。等到焊接完成之后, 这种做法对于纵向的应力就没有太大的影响了。在这两个横向的侧面位置, 就只有单一的拉伸应力存在, 具体的效果你看一看图3就知道了。

要是板的宽度比较窄的话, 那么拘束应力就会比较大些。要是板的宽度比较大的话, 拘束应力就会相应地减小一点。对于那种比较长的焊缝来说, 先进行焊接的那一端的应力会比较小一些。当你把外加的拘束给撤掉之后, 所谓的拘束应力也就消除了。这时候, 残余应力就会重新进行一次分布。

（2）所谓的镶块接管的封闭焊缝是指在板壳结构中存在着管座或者镶块的情况, 这种情况下刚性拘束的程度是非常大的, 随着刚性的增加, 里面产生的内应力也就随之变大, 根据图示4所示, 在镶这个镶块的内部区域里, 沿着纵向也就是切向方向的应力σt在靠近焊缝的地方表现为拉应力，其数值最高能够达到屈服极限σs, 而在那个地方, 横向的方向也就是径向方向的应力σr同样也表现出拉应力的特性, 至于位于镶块中心的部分, 纵向应力σt和横向应力σr的数值是相等的, 这就形成了一个双向应力场的状态, 并且当镶块的直径逐渐缩减的时候, 这两个方向上应力的数值会相应地升高。

接管焊缝的应力和接头的具体形式是有关系的, 外座式的应力会小一点, 内插式的刚度是很大的, 但是应力也跟着变得很大。

图3所展示的内容是关于刚性拘束这个因素, 会对焊接过程中产生的应力情况产生怎样的具体影响。

如图4所示, 圆盘镶块封闭焊缝中的焊接应力。

板厚及坡口形式的影响

因为板的厚度是不一样的, 所以残余应力的分布情况也是不同的。而且, 在垂直于焊缝的那个方向上的横向应力σy, 这个是不能被忽视的。图5展示的是2.25Cr-1Mo这种超厚板, 在进行多层埋弧焊后, 其残余应力实际测量出来的数值。需要特别注意的一点是, 在靠近表面的地方, 残余应力达到了最高值。

这种既有双向或者还有三向的应力状态, 是导致这种钢材制成的焊缝中出现横向裂纹的一个非常重要原因。如果, 把那个V形坡口给改成双V形坡口的话, 那么, 在双V形坡口的根部这个地方, 是会产生压应力的, 这个情况呢, 从图6所显示的内容来看, 它是非常有利于避免出现焊接裂纹的。

图5所展示的, 是针对超厚板在进行多层焊接工艺以后, 其所产生的焊缝残余应力的情况。

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图6 双V形坡口对称焊时的残余应力分布

焊接工艺参数的影响

随着焊接热输入被增加起来, 加热宽度这个事儿就开始变大, 还有那个残余应力也跟着增大, 与此同时, 拉伸残余应力的宽度也一并增大了。

焊接方向影响

横向残余应力, 是焊接部位还有它附近的会发生塑性变形的区域, 因为纵向收缩和横向收缩没法同时做完, 这两者加在一块儿弄出来的那种应力。它的大小还有分布的情况, 是和板材的长度以及施焊的方向有关系的。

要是从中间往两头焊的话, 中间那部分就是压应力；要是从两头往中间焊的话, 两端那部分就是压应力, 大家可以去看图7里画出来的那个示意图。

通过图7可以看出, 如果改变焊接的方向, 那么在横向的这个位置上面所残留下来的应力的分布情况会受到影响。

相变的影响

当人们去焊接那些碳元素含量比较高的高强度钢材的时候, 在热影响区还有焊缝部位的组织结构, 会经历从一个叫做奥氏体的状态到一个叫做马氏体的状态的改变, 这样一来就会让体积变得更大。

正因为发生了转变的温度, 使得这些材料已经恢复了自身弹性的能力, 所以在这种情况下就会出现因为相变而产生的应力状况。这种相变引起的应力会和不均匀的塑性变形导致的一些焊接过程中的原有应力混合在一起。如果在发生相变的那个区域内部来看的话, 总体上的表现可能是压应力的一种状态。

可是由于体积出现了膨胀的情况, 尤其是在三个方向上都有体现的话, 在某些特定的位置上面, 也有可能产生非常巨大的横向拉伸效果, 也就是相变产生的拉力现象。这个原因呢是导致出现冷裂纹问题的一个主要因素所在。

就是为了防止焊接应力的出现, 也是为了尽量减少焊接应力的存在。

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采用合理的焊接顺序和方向

基本原则就是这样的，在焊接平面上的焊缝的时候, 要使得纵向的和横向的收缩都保持比较自由的状态, 在一个结构中, 那个收缩量是最大的焊缝, 需要把它放在最先进行焊接的步骤里面去处理, 举例来说, 就是先对那种对接的焊缝开展焊接作业, 然后再去处理角接类型的焊缝这种情况, 要是遇到两个焊缝交叉在一起的情况, 焊接顺序的选择应该要保证那个交叉点所在的位置比较容易避免缺陷的产生问题, 同时它所处的环境的刚性还要相对小一些才对, 具体可见图8。

图8 交叉焊缝的焊接顺序

我们要尽量地采取比较小的焊接热输入。

小的焊接热输入可以降低不均匀加热区域的大小和焊缝的收缩量。在操作方面可以采取使用小直径焊条的方法, 以及采用多层多道焊接的方式, 还可以用小电流快速且不摆动的焊接手法。也可以使用能量更集中的高能焊接方法。同时还要控制层间的温度, 并且采用分段焊接和分段倒退焊接等方式, 以此来减小焊接的热输入。

采用整体预热

把整体都进行预热的话, 就可以减小焊接接头所在的那个区域和整个结构主体之间的温度差距了, 这样做的目的, 是为了去减小在焊接这个热循环的过程里面, 因为胀缩得不一样而带来的不均匀的那种塑性变形的问题, 进而达到减小焊接应力的效果, 比如在进行铸铁热焊法这个工艺动作的时候, 就需要把被焊接的那个铸件加热到六百摄氏度。

锤击法

焊后要对焊道进行迅速而且均匀的锤击动作, 这么做能够让焊缝金属出现塑性变形的情况, 这样既可以减小焊接时的变形程度, 同时也可以减小焊接过程中的应力。

在日常操作中一般需要使用扁长且圆头的锤子, 这种锤子可以用錾子来改制, 但是绝对不可以使用带有尖口的工具, 锤击的时候要依次进行, 敲击的力量要保持在适中的水平, 目的是让距离焊道约2mm的范围之内都受到影响。具体的实施还需要根据材料自身的特性来选择合适的焊道长度以及适合的锤击温度。

一般情况下根部焊道不进行锤击处理, 目的是为了避开裂纹的产生可能性, 盖面焊道也不进行锤击处理, 主要原因是不想让工件的外观美感受到负面影响。

降低氢的影响

特别是那些容易产生冷裂纹的高强度合金钢, 大家要注意去降低氢所带来的影响。比如说要用那种含氢低的焊条, 还有碱性焊剂。这些材料要按要求进行烘干, 然后放在干燥的筒里保存。用的时候拿出来用, 不要长期露在外面。

要把坡口表面的水分去掉, 还要把油、铁锈这些脏东西清理干净。要控制好焊接时候的环境温度。如果有必要, 要去做去氢处理也就是在焊完以后, 趁着热乎的时候升温到250℃保个2小时到3个小时, 或者是升到350℃保个1小时到2个小时。到底怎么弄要看情况决定。

消除应力处理

消除焊接残余应力的办法是, 通过在焊接区域附近造成拉伸塑性变形的这种方式, 来达到减小残余塑性变形程度的目的。

（1）所谓去应力热处理, 也有人把它叫做去应力退火, 这种做法是把焊接结构要么整体、要么局部的加热到比钢的相变点还要低20摄氏度到30摄氏度的程度, 然后进行保温, 它是利用在保温这个阶段里面发生的蠕变现象来获取那些消除应力所需要的塑性变形, 只要在一定温度下保温大概1个小时的时间就可以把应力有效地消除掉, 但是针对那些厚壁的结构来说, 做热处理所需要花的大部分时间往往都用在了加热以及冷却这两个环节上面, 通过用这种方法一般能够将残余应力的70%到90%给松弛掉。

与此同时, 还改善了大多数钢材的焊接区域当中的材质属性。

如果遇到了有回火脆性的材料, 或者是有再热裂纹这种倾向的材料, 那么大家就需要注意谨慎地去选择加热的速度以及保温的具体温度。

（2）加载法, 这种方法是利用力学原理来施加加载, 目的是使得焊接接头的拉伸残余应力区域产生塑性变形, 在降低载荷之后, 让处于接头区域的拉伸力得到松弛。

这种方法只适用于屈服强度相对比较小, 同时具有塑性的材料, 另外还需要特别注意水温一定要保持在材料的脆性转变温度以上, 锤击法同样也是需要遵循这个基本原理的。在最近这些年里面, 还发展出了像爆炸去应力法、振动去应力法这样的方法。

（3）温差拉伸法就是低温消除应力法。操作的时候, 在焊缝两侧各个放上一个适合的氧乙炔焊炬进行加热。在往后保持一定距离的地方跟着用水管喷水排水。整个过程要一直保持以相同的速度向前挪动。这样就能造成一个两边温度很高差不多到200摄氏度, 而焊缝位置温度较低差不多100摄氏度的温度场。

这个温度场景使得两边受热膨胀的效果作用到了焊缝上。这会让焊缝产生拉伸性质的塑性变形。这种变形可以把以前产生的收缩性质塑性变形给抵消掉。最终就能让残余下来的应力得到缓和。

用这个办法去对待低碳钢的话, 其实是很没有问题的, 但是如果说要拿来对合金钢进行操作的话, 那么就务必要非常注意的考虑到温度因素对于材料所造成的影响。

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图9, 这种温差拉伸的方法。