全面解读焊接残余应力消除

焊接工艺主要应用于工程结构件，如船舶、车辆箱体、桥梁、钢结构、容器、管道、反应釜等等，动载机器结构件应用较少(如汽车零配件采用摩擦焊较多)。

在对钢结构进行焊接时，加热和冷却的过程会使焊件内部有温度差异，由此引起变形不一致就会产生内应力，这类应力被称为焊接残余应力。

焊接残余应力是焊件产生变形、开裂等工艺缺陷的主要原因，焊接变形在制造过程中危及形状与尺寸公差、接头安装偏差和增加坡口间隙，使制造过程更加困难;焊接残余应力可使焊缝特别是定位焊缝部分或完全断开;机械加工过程中释放的残余应力也会导致工件产生不允许的变形。

同时，焊接残余力可能引起结构的脆性断裂，拉伸残余应力会降低疲劳强度和腐蚀抗力，压缩残余应力会减小稳定性极限。因此，焊接残余应力一直是焊接界关注的重点问题之一。

如何控制焊接残余应力?

焊接应力是不可避免的，焊接操作结束后，一方面使构件产生焊接变形释放一部分焊接应力，另外则以残余应力形式存在，但是所有焊接构件，一般而言均存在残余应力和变形。

我们可以通过一些方法，来控制焊接残余应力。

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，尽量减少焊缝的数量化和截面尺寸。同时，焊缝不要过于集中，以防局部区域的热量输入过大。

(2)焊缝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应力叠加，影响构件测承载能力，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方式，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。

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，根据不同的焊件机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，减少了焊缝的拘束应力。

(3)采用合理的工艺参数及合适的加工方法。如先用小直径焊丝，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。

(4)数字化仿真

使用翔博自主研发的“多工艺连续仿真软件”，可以对工件工艺流程进行连续仿真。在对焊接工艺进行仿真时，仅需选择相应焊接工艺，选择相应的焊接方式，输入热源、温度及其他典型工艺参数，结合DOE试样方法的比对，可优选出残余应力及变形程度最低的最优焊接顺序和参数。

焊缝分析实例

焊接残余应力的消除

焊接残余应力产生过程非常复杂且弊大于利，因此采取有效的措施来减小焊接残余应力是非常有必要的。目前，常用的消除焊接残余应力的方法有喷丸处理法、激光处理法、加载法、爆炸处理法、热处理法、锤击处理法、振动处理法、深冷处理法、超声波处理法等。

喷丸处理法

喷丸处理法是将高速弹丸流喷射到部件表面，使部件表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层。强化层内形成较高的残余应力，由于部件表面压应力的存在，当部件承受载荷时可以抵消一部分张应力，从而提高部件的疲劳强度。

优缺点

喷丸处理法会使材料表面显微组织结构发生变化，受喷表面变得粗糙，尺寸增大。

激光处理法

激光处理法是通过用强脉冲激光来冲击焊件，产生的等离子体冲击波可以使焊接区域产生塑性变形，从而消除焊接残余应力。该方法可以通过精确控制激光能量、冲击区域、冲击角度和冲击次数来实现对复杂焊件的去应力处理。

优缺点

激光处理法不会损坏试样表面、对环境无污染，而且方法灵活高效，恰当地利用激光来处理焊接区域还可以提高焊件强度和疲劳寿命。但是如果处理不当，如激光不能全部覆盖焊接区域，就会造成改善疲劳性能效果不佳。

加载法

加载法分为机械拉伸法和温差拉伸法，是通过在焊件上加载拉应力来抵消焊接时产生的应力，从而消除残余应力。

优缺点

有研究表明，对于奥氏体不锈钢而言，采用机械过载拉伸的方法可以有效降低焊接残余应力峰值，并且使焊接残余应力分布更加均匀。载荷加的越高，焊接残余应力就消除的越多。

但是超过一定数值之后，残余应力消除的效果逐步减弱。加载法消除焊接残余应力的效果相对较差，如果加载不当还会引起结构的变形，而温差拉伸处理成本较高，操作比较困难。

爆炸处理法

爆炸处理法是通过覆盖特种炸药在焊缝及其附近表面，炸药爆炸产生的冲击波会使焊件产生塑性变形，与原有的残余应力的相互抵消达到消除的目的。

优缺点

在爆炸处理时，如果炸药用量不当或者炸药布置不合理就可能造成焊接件的宏观变形、消除效果不明显甚至人员伤亡等不良后果。

热处理法

热处理法是焊后消除焊接残余应力的主要方法，是将焊件整体或局部以一定的速度加热到再结晶温度以上并保温一段时间，此时焊件中的拉应力区会被拉长、压应力区会被压缩，使得部分或全部的变形回复到初始位置，从而达到消除焊接残余应力的目的。

优缺点

焊后热处理成本较高、操作不方便、不能明显改善焊接件的疲劳性能、可能会在焊接件中产生再热脆化和再热裂纹。

锤击处理法

锤击处理法是指用锤头敲击焊接区域，使焊接区域产生塑形变形，从而减小焊接残余应力。常见的锤击形式包括：手动锤击、电动锤击、气动随焊锤击、冲击枪锤击、电磁随焊锤击。

优缺点

锤击处理法有成本低、操作简单和节能环保等特点。锤击处理法不仅可以消除焊接残余应力，还可以对焊接进行校形、提高焊接件抗疲劳能力和力学性能。

但是如果锤击不当可能会出现降低材料的耐腐蚀性能、诱发小裂纹和产生应变时效脆化等问题。

振动处理法

振动处理法是指通过振动使焊件各部位在交变应力与残余应力的合力作用下产生局部屈服，引起微小塑性变形，使构件内部的残余应力减小。

优缺点

振动处理法操作简便、时间短、成本低且节能环保，可以使焊接件中的应力均匀分布，保持焊接件尺寸稳定和延缓变形时间。

深冷处理法

深冷处理法是指将焊接件淬火后放在液氮或液态氮蒸汽的环境中进行处理，通过不同阶段温度变化引起的内应力的变化，抵消部分残余应力。

优缺点

深冷处理法无污染、成本较低、对焊接件的冲击性小，可以有效地确保工件尺寸并避免焊接件开裂，提高焊接件力学性能和耐腐蚀性能。

但是由于消除应力的效果与深冷处理工艺、深冷处理前后的热处理工艺及相关工艺有关，故深冷处理法的稳定性较差。深冷处理法只适合处理小型零部件，例如齿轮、刀具、模具等。

超声波处理法

超声波处理法是通过利用超声波冲击焊接件，使焊件区域产生塑形变形，从而消除焊接残余应力。

优缺点

超声波处理法相对传统方法而言有成本低、操作方便、效率高、节能环保等特点。但是超声波处理法的作用范围有限，对于薄壁件的焊接残余应力的消除效果非常理想，而对于厚板零件的焊接残余应力消除效果不明显。

结语

焊接残余应力弊大于利，不仅会影响焊件的加工质量和尺寸稳定性，也会降低焊件的使用性能。焊接残余应力的测定和消除方法有很多，也各有优缺点。企业可根据自身需求，以及各种方法的经济成本、操作难易度，选择适合的残余应力消除法，获得最大的经济效益。如果自身不具备残余应力的检测、消除条件，也可选择专业的供应商对症解决。