Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｍｔ 减小焊接残余应力的措施 刘秀伟袁一鑫 （中机中联工程有限公司。重庆４０００３９） 【摘 要】焊接残余应力在不同程度上影响着焊接结构的各种 钢结构消应力的主流工艺之一。５ＴｌＧ重熔 性能，因此，有必要采取各种措施减小和消除残余应力，本文将分 别讨论消除焊接残余应力的措施。 【关键词】残余应力；振动时效；钢结构 １在焊接过程中调节内力 在焊接过程中采用一些简易可行的工艺措施，可以有效地调节 内应力的大小和分布，使峰值残余应力下降，使残余应力分布更为 合理“ 。这些措施不但可以降低残余应力，有时也可以降低焊接过 程中的应力，有利于防止焊接裂纹的产生，提高焊接构件的强度。 主要通过以下几个措施来进行。 （１）采用合理的焊接顺序：在焊接位置和顺序的安排上，尽量 使焊缝在焊接过程中能得到自由收缩，并应先焊收缩量比较大的焊 缝。根据这个原则，对大多数的焊接结构而言，一般先焊横向焊缝， 因为在许多结构中，横向焊缝的条数较多，且收缩量也较大。 （２）减小接头刚度：对于一些封闭焊缝和厚大工件，可以采用 减小接头刚度的方法来达到。减小接头刚度的目的，在于使焊缝能 获得足够的自由收缩，使残余应力减小。 （３）采用加热减应区法：这种方法的基本原理就是在构件适当 部位加热，加热区的热仲长带动焊接部位产生与焊缝收缩方向相反 的变形，随后进行焊接。当焊完冷却时，加热减应区的收缩和焊缝 的收缩方向相同，即焊缝可获得一定程度的自由收缩，致使残余应 力减小。利用这种方法可以焊接一些刚性较大的焊接件。 ２机械拉伸法降低残余应力 钢构件的内应力当。 ０ 时，在外载的作用下产生拉应力区产 生拉伸塑性变形，它的方向与焊接时产生的压缩塑性变形方向相反。 显然，加载应力越高，压缩塑性变形被抵消得就越多，残余应力消 除得越彻底。机械拉伸法消除残余应力对于由塑性较好的金属材料 焊制的容器具有特殊的意义。对于这种焊接容器，机械拉伸不需专 门设置拉伸装置，可通过焊后的液压试验来达到。 ３焊后热处理 焊后热处理是将焊接构件整体或局部均匀加热到某一合适的温 度，在该温度下保持预定的时间，然后使其均匀冷却到室温。在以 消除残余应力的热处理中，对残余应力影响的因素有：热处理温度、 保温时间、加热和冷却速度、加热方法和加热范围的大小。众所周 知，在加热过程中，残余应力将降低到加热温度下的屈服应力值， 因此，加热温度的选定是十分重要的。残余应力降低的原因主要在 于金属材料屈服极限随温度升高而降低，并在保温过程中发生应力 松弛所致。然而，在实际的焊接接头中，由于残余应力分布不均匀 性，在处理过程中表现出更复杂的行为。由文献 可知焊接接头经 过焊后热处理之后，有相当～部分残余应力被消除了，尤其是加热 温度为６ｏｏ ｏｃ的情况，残余应力几乎被完全消除。显然，加热温度 的影响作用最大。如果条件许可，加热温度越接近临界温度或再结 晶温度，消除残余应力的效果越好 ４振动时效 振动时效又称振动消除应力法，是将工件在其固有频率下进行 数分钟至数十分钟的振动处理，以达到消除残余应力，使构件尺寸 获得稳定的一种方法。这种方法具有耗能小、周期短和效果显著等 特点。近年来在国内外得到迅速的发展和广泛的应用。 振动时效的实质是以振动的形式对工件施加附加应力，当附加 应力与残余应力叠加后，达到或超过金属材料屈服强度时，在工件 内部发生微观和宏观塑性变形，使其残余应力降低和均匀化。研究 和实践发现，在构件的共振频率下进行振动，可以缩短振动处理的 时间，消除残余应力和稳定尺寸精度的效果更好，能源的消耗也最 少。而且振动时效操作简单，易于实现自动化的优点，还可以避免 金属构件在热时效过程中产生的翘曲变形、氧化、脱碳及硬度下降 等缺点。 振动时效是一种以消应力、提高尺寸稳定性为目标的替代热时 效的先进工艺。尽管目前振动时效在建筑钢结构应用尚少，但根据 建筑钢结构的载荷特点与施工要求，振动时效有可能成为今后建筑 ３１２ Ｉ华东科技 焊趾缺陷是一种焊道融合线上中难以避免的小而尖锐、连续的 缺陷，往往成为结构疲劳破坏的裂纹源，常采用ＴＩＧ重熔工艺对焊 趾进行修整，重建裂纹起裂前的状态，降低由于焊趾缺陷所造成的 应力集中现象，以延长了疲劳寿命。同时ＴＩＧ重熔也能改善焊缝区 的横向残余应力；上海宝冶工程技术公司进行重型门式起重机大梁 维修，对其拘束模拟焊接试板焊缝ＴＩＧ重熔前后的残余应力，通过 ｘ射线方法进行测量，由测定结果 可知：ＴＩＧ重熔对于焊缝的纵向 残余应力改善不明显，残余应力绝对值下降不大；但对于纵向残余 应力的均匀分布有一定效果。但对横向残余应力有明显的改善效果， 残余应力绝对值下降明显而且分布趋于均匀。考虑到建筑钢结构的 载荷特点以及生产效率的要求，ＴＩＧ重熔可在横向拘束应力大的焊 道上，作为缓和横向残余应力、降低应力集中的辅助工艺。 ６振动焊接 振动焊接又称振动调制焊接、随焊振动，是目前国内外正在研 发的新技术：在振动时效标准的附录中，已确认为可与振动时效组 合的工艺之一。其不改变原有的焊接工艺；在焊接过程，通过一个 几百瓦的小激振器对构件注入频率和振幅可控的振动，即形成振动 焊接。这种限幅的振动，势必对焊接熔池和热影响区产生一定的作 用：①当焊缝金属在熔融状态下，由于振动使气泡、杂质等容易上 浮、排除。②在结晶过程振动可细化晶粒，使焊缝的力学性能得到 提高。③温度大于６００℃的区域，材料在强度逐步恢复的冷却过程 中，伴随振动的热塑性变形，使逐步形成的焊接残余应力得到降低 和均化，可减少焊接变形及焊接裂纹的形成。 ７爆炸法工艺 将特种专用炸药沿焊缝走向粘贴在焊缝附近。炸药引爆后产生 连续的冲击波迫使结构的峰值应力区域发生塑性变形，以此达到消 应力的目的。据报道消除厚度可达７０ｒａｍ，效果可达６Ｏ％，瞬间完成， 适合大型和特大型结构，在水利涵管方面应用较多。爆炸法消应力 施工时十分强调安全措施，故在城市建筑中应用有一定困难。 ８超声冲击法 此外还有一种消应力方法近年来在我国也开始应用，它就是超 声冲击法。超声波冲击的基本原理是利用变幅杆的高频率振荡推动 冲击头，以每秒２０Ｋ｝｛Ｚ以上的频率撞击焊缝及热影响区，使以焊趾 为中心的一定区域的焊接接头表面产生足够深度的塑变层，从而有 效地改善焊缝与母材过渡区（焊趾）的外表形状，使其平滑过渡， 降低焊接接头的应力集中程度，使焊接接头附近一定厚度的金属得 以强化，重新调整了焊接残余应力场。超声波冲击形成的表面压应 力将降低、均匀化和消除焊接残余拉应力。 超声冲击消应力法能有效的消减大型厚钢板的焊接残余应力，它已 经在阳逻大桥钢锚箱箱体的焊接过程中得到了一些应用。由文献。 可知：超声冲击法对斜拉索锚拉厚板区域焊接残余应力的消除有着 较为理想的效果。 ９结论 以上讲述的是减小或消除焊接残余应力的几种工艺方法，这些 消应力工艺皆可应用于建筑钢结构：其中热时效可作为重要零部件 的整体消应力工艺；局部热时效、ＴＩＧ重熔、可作为现场拼焊后的 消应力和控制应力集中的工艺；振动时效和振动焊接则可更广泛地 满足零部件制造和现场拼焊控制残余应力的要求；超声冲击法可有 效应用到桥梁结构的厚板区域 当然对于具体的结构，每种消除残 余应力的方法都有待进一步该进和提高，比如各种参数的选择都要 在实践中不断得到摸索和提高。随着钢结构技术的进步和发展，消 除焊接残余应力的方法将在各种领域得到更加广泛和深入的应用。 参考文献： …１潘勇琨．压力试验对焊接残余应力的影响ｍ石油化工设备，２００７ （ｏ１）． 『２１焦馥杰．焊接结构分析基础ｆＭ］．上海：上海科学技术文献出版 社 １９９１．
