焊接中出现的问题和解决方案(焊接残余应力的控制及消除)

Posted 2023-06-02

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焊接中出现的问题和解决方案(焊接残余应力的控制及消除)

前言

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。

如何控制焊接残余应力？

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热处理、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。

焊后热处理(简称PWHT)

焊后热处理是焊后消除焊接残余应力的主要方法。焊后热处理是指将焊接件整体或局部加热到A1相点以下的适当温度并保温一段时间，然后再缓慢冷却，以达到消除焊接残余应力的目的。除了部分超高强度钢及部分特殊要求的部件焊后采用调质处理，奥氏体不锈钢采用固溶处理外，大部分结构钢的焊后热处理是指退火处理。

优点

（1）、降低热影响区的硬度。焊后热处理温度越高。热影响区的软化效果越好，但温度太高会使强度降低，所以热处理加热温度和保温温度要控制恰当。

（2）、释放焊接位置中的氢。及时恰当地进行焊后热处理，实质上是脱氢处理，可以防止出现氢致裂纹。

（3）、提高抗腐蚀能力。焊接件腐蚀的原因是由于拉应力和腐蚀介质。这两个只要缺少个就不会使焊接件产生腐蚀裂纹。

（4）、影响焊接件的强度。焊后热处理可以消除焊接残余应力、降低硬度和含氢量，使焊接件的脆性断裂强度、变强度及抗腐蚀开裂能力都有所提高。

缺点

（1）、改善疲劳性能不明显。影响疲劳强度的主要原因是应力集中，造成应力集中的原因有表面粗糙、未焊透、焊别裂纹不、合理的结构设计等。因此，一般情況下焊后热处理不会改善焊接件的疲劳性能。

（2）、影响焊接件的再热脆化。由于焊接件会有碳化物形成元索的沉淀析出或杂质元素的偏聚，再热脆化好发生在后热处种理的温度范围，所以一定要注意焊后热处理带来的再热脆化问题。

（3）、影响焊接件的再热裂纹。再热裂纹通常在 600℃左右最为显著，正好在焊后热处理的温度范围。因此，焊后热处理加热温度的选择既要避免产生再热裂纹又要较好地消除焊接件的残余应力。

（4）、影响焊接件缺口的韧性。焊后热处理可使低、中强度结构钢焊接件的焊接接头的淬硬组织退火并软化，消除焊接残余应力，减少脆性，提高塑性和韧性。但是，对于调质高强度钢，如果焊后热处理加热温度超过原调质回火温度时，会失去调质效果，使强度和韧性下降。

（5）、成本较高，操作不方便，较难控制消除残余应力的效果。

爆炸处理

爆炸处理是以爆炸方式消除焊接残余应力的新技术，近年来国内外应用较多。通过覆盖在焊缝及其附近焊接区表面的特种炸药爆轰造成的冲击波和残余应力的交互作用，使焊接件产生适量的塑性变形，从而消除焊接件的残余应力。研究证明，爆炸处理不仅可以消除焊接区的残余拉应力，还可以根据需要造成一定的残余压应力。

优点

①不受焊接件的尺寸限制，方便灵活，消除残余应力的效果明显。②提高了焊接件的尺寸稳定性。③明显提高了焊接结构抗应力腐蚀能力。④提高了焊接件的疲劳强度。⑤提高焊接件的抗脆断能力。⑥降低焊接件的残存缺陷的危险性。⑦爆炸过程中没有热脆现象。⑧适用于特殊青况下的处理，例如∶退火无法解决的异种钢、不锈钢、梁等长细结构的焊后消除残余应力的处理。

缺点

爆炸处理采用的炸药有一定的危险性，一定要妥善保管。爆炸处理如果药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、炸伤、消除焊接残余应力不明显等不良后果。

激光处理（简称 LSP）

激光处理是利用强脉冲激光产生的应力波在焊接件焊接区域产生塑性变形，在微观上表现为高密度位错与栾晶，在宏观上表现为显微硬度的提高并获得残余压应力的一项新技术。

优点

激光处理与传统处理方法比较，有不损坏试样表面、高效、灵活、无污染、非热、非接触性等特点，可快速高效地对需要强化而难以用其它技术进行强化的局部区域进行处理。激光处理能够抑制处理区域疲劳裂纹的萌生和扩展，降低裂纹扩展速率，提高疲劳寿命。

缺点

如果激光处理不能全部覆盖焊接区域，就会造成改善疲劳性能不明显或不均匀的现象。由于这个原因，我们国内也在不断地研制和开发新的激光处理设备。

超声波处理（简称 UIT）

超声波处理是利用超声波冲击焊接件焊接区域以达到消除焊接残余应力，改善焊接件性能的一种技术。

优点

超声波处理相对传统方法有投资少、处理时间短、效率高、方便、节约能源、无污染等特点。超声波处理消除薄壁件的焊接残余应力的效果非常理想，不仅能够降低残余应力，而且还会减少焊接位置应力集中、提高焊接处疲劳强度、抑制焊接裂纹，减小变形、稳定构件尺寸。

缺点

超声波处理只能对一定深度的表层金属产生作用，消除厚板零件的焊接残余应力的效果不明显，尤其在板厚方向距离表层越远消除残余应力的效果越弱。

锤击处理

锤击处理是指用特制锤头轻击焊缝及焊接区域或用高速粒子直接冲击焊接区域表面的一种技术。

优点

锤击处理有投资少、节约能源、无污染、方便等特点。锤击处理不仅可以消除焊接残余应力，而且可以在锤击表面诱导出残余压应力。锤击处理可以有效地提高焊接件抗疲劳能力。

缺点

锤击处理可能诱发小裂纹和应变时效脆化以及降低材料的抗腐蚀能力等。

深冷处理

深冷处理是指将焊接件淬火后放在-190℃至-230℃的液态氮或液态氮蒸汽的环境中进行处理，以消除焊接残余应力的一种技术。

优点

利用液氮汽化吸热以及低温氮气吸热制冷，控制温度精度准确，降温过程缓慢、均匀，大大减少了低温对工件的冲击，避免焊接件开裂的风险。

①提高焊接件的强度和硬度。②保证焊接件的尺寸稳定。③提高焊接件的耐磨性。④提高焊接件的冲击韧性。⑤提高焊接件的抗疲劳强度。⑥提高焊接件的耐腐蚀能力。⑦提高生产力。⑧使应力分布均匀。⑨无污染、成本较低、对焊接件没有破坏性。

缺点

深冷处理的最终效果不仅取决于深冷处理工艺，而且还与深冷处理前的热处理工艺以及和热处理工艺相关的工艺顺序息息相关，所以深冷处理的稳定性较差。深冷处理只能对小型零件进行处理，例如∶刀具、模具、齿轮等。

振动处理（简称 VSR）

振动处理是指直接将震动设备夹固在大型焊接件上、将小型焊接件固定在振动台上进行振动，以消除焊接残余应力的一种方法。

优点

振动处理投资少，见效快，节约能源，操作方便，利于现场施工，大幅度地缩减生产周期，具有使焊接件应力均匀分布、保持焊接件尺寸稳定、延缓变形时间等特点。

缺点

振动处理消除焊接残余应力的效果受焊接件的尺寸、材料及振动处理工艺的影响比较大。

逆焊接温差处理（简称 AWHT）

逆焊接温差处理是利用与焊接加热过程相反的方法，采用冷却介质使焊接区域获得比周边母材低的负温差，在冷却过程中焊接区域周边母材拉伸而产生伸长塑性变形，从而抵消焊接时产生的压缩塑性变形，达到消除焊接残余应力的目的。

优点

如果温差足够大，就可以在被处理的焊接件表面产生双向的压缩应力层，防止应力腐蚀。

缺点

逆焊接温差处理成本较高，操作比较困难。

结论

通过对几种消除残余应力的方法进行比较，我们可以从经济性、可行性、方便性、效率等诸方面考虑消除残余应力的方法，延长焊接件的使用寿命，避免或减轻不良事故发生造成的经济损失，甚至挽救生命，争取得到较大的经济效益和社会效益。