焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结-盘古文库

焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结

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来源：莲生三十二

作者：开心麻花

2025-09-18

焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结（精选7篇）

焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结第1篇

焊接钢管焊缝气孔产生的原因及防治措施

焊接钢管焊缝气孔不仅影响管道焊缝致密性，造成管道泄漏，而且会成为腐蚀的诱发点，严重降低焊缝强度和韧性。

焊缝产生气孔的因素有：焊剂中的水分、污物、氧化皮和铁屑，焊接的成份及覆盖厚度，钢板的表面质量以及钢板边板处理，焊接工艺及钢管成型工艺等。

焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结第2篇

2012-2-2 14:19

提问者：匿名 | 浏览次数：71次

2012-2-2 16:22 满意回答

一、缺陷名称：气孔（Blow Hole）

1、原因

（1）焊条不良或潮湿。

（2）焊件有水分、油污或锈。（3）焊接速度太快。（4）电流太强。

（5）电弧长度不适合。

（6）焊件厚度大，金属冷却过速。

2、解决方法

（1）选用适当的焊条并注意烘干。（2）焊接前清洁被焊部份。

（3）降低焊接速度，使内部气体容易逸出。（4）使用厂商建议适当电流。（5）调整适当电弧长度。（6）施行适当的预热工作。

二、缺陷名称咬边（Undercut)

1、原因

（1）电流太强。（2）焊条不适合。（3）电弧过长。（4）操作方法不当。（5）母材不洁。（6）母材过热。

2、解决方法

（1）使用较低电流。

（2）选用适当种类及大小之焊条。（3）保持适当的弧长。

（4）采用正确的角度，较慢的速度，较短的电弧及较窄的运行法。（5）清除母材油渍或锈。（6）使用直径较小之焊条。

三：缺陷名称：夹渣（Slag Inclusion)

1、原因

（1）前层焊渣未完全清除。（2）焊接电流太低。（3）焊接速度太慢。（4）焊条摆动过宽。

（5）焊缝组合及设计不良。

2、解决方法

（1）彻底清除前层焊渣。（2）采用较高电流。（3）提高焊接速度。（4）减少焊条摆动宽度。

（5）改正适当坡口角度及间隙。

四、缺陷名称：未焊透（Incomplete Penetration)

1、原因

（1）焊条选用不当。（2）电流太低。

（3）焊接速度太快温度上升不够，又进行速度太慢电弧冲力被焊渣所阻挡，不能给予母材。

（4）焊缝设计及组合不正确。

2、解决方法

（1）选用较具渗透力的焊条。（2）使用适当电流。（3）改用适当焊接速度。

（4）增加开槽度数，增加间隙，并减少根深。

五：缺陷名称：裂纹（Crack)

1、原因

（1）焊件含有过高的碳、锰等合金元素。（2）焊条品质不良或潮湿。（3）焊缝拘束应力过大。

（4）母条材质含硫过高不适于焊接。（5）施工准备不足。

（6）母材厚度较大，冷却过速。（7）电流太强。

（8）首道焊道不足抵抗收缩应力。

2、解决方法

（1）使用低氢系焊条。

（2）使用适宜焊条，并注意干燥。

（3）改良结构设计，注意焊接顺序，焊接后进行热处理。（4）避免使用不良钢材。

（5）焊接时需考虑预热或后热。（6）预热母材，焊后缓冷。（7）使用适当电流。

（8）首道焊接之焊着金属须充分抵抗收缩应力。

六：缺陷名称：变形（Distortion）

1、原因

（1）焊接层数太多。（2）焊接顺序不当。（3）施工准备不足。（4）母材冷却过速。（5）母材过热。（薄板）（6）焊缝设计不当。（7）焊着金属过多。（8）拘束方式不确实。

2、解决方法

（1）使用直径较大之焊条及较高电流。（2）改正焊接顺序

（3）焊接前，使用夹具将焊件固定以免发生翘曲。（4）避免冷却过速或预热母材。（5）选用穿透力低之焊材。

（6）减少焊缝间隙，减少开槽度数。（7）注意焊接尺寸，不使焊道过大。（8）注意防止变形的固定措施。

七：其它焊接缺陷搭叠（Overlap)

1、原因

（1）电流太低。

（2）焊接速度太慢。

2、解决方法

（1）使用适当的电流。（2）使用适合的速度。

焊道外观形状不良（Bad Appearance)

1、原因

（1）焊条不良。（2）操作方法不适。

（3）焊接电流过高，焊条直径过粗。（4）焊件过热。

（5）焊道内，熔填方法不良。

2、解决方法

（1）选用适当大小良好的干燥焊条。（2）采用均匀适当之速度及焊接顺序。（3）选用适当电流及适当直径的焊接。（4）降低电流。（5）多加练习。

（6）保持定长、熟练。凹痕（Pit)

1、原因

（1）使用焊条不当。（2）焊条潮湿。（3）母材冷却过速。

（4）焊条不洁及焊件的偏析。（5）焊件含碳、锰成分过高。

2、解决方法

（1）使用适当焊条，如无法消除时用低氢型焊条。（2）使用干燥过的焊条。

（3）减低焊接速度，避免急冷，最好施以预热或后热。（4）使用良好低氢型焊条。（5）使用盐基度较高焊条。偏弧（Arc Blow)

1、原因

（1）在直流电焊时，焊件所生磁场不均，使电弧偏向。（2）接地线位置不佳。（3）焊枪拖曳角太大。（4）焊丝伸出长度太短。（5）电压太高，电弧太长。（6）电流太大。（7）焊接速度太快。

2、解决方法

（1）•电弧偏向一方置一地线。• 正对偏向一方焊接。•采用短电弧。

•改正磁场使趋均一。•改用交流电焊

（2）调整接地线位置。（3）减小焊枪拖曳角。（4）增长焊丝伸出长度。（5）降低电压及电弧。（6）调整使用适当电流。（7）焊接速度变慢。

烧穿

1、原因

（1）在有开槽焊接时，电流过大。（2）因开槽不良焊缝间隙太大。

2、解决方法

（1）降低电流。

（2）减少焊缝间隙。

焊泪

1、原因

（1）电流过大，焊接速度太慢。（2）电弧太短，焊道高。

（3）焊丝对准位置不适当。（角焊时）

2、解决方法

（1）选用正确电流及焊接速度。（2）提高电弧长度。

（3）焊丝不可离交点太远。

火花飞溅过多

1、原因

（1）焊条不良。（2）电弧太长。

（3）电流太高或太低。（4）电弧电压太高或太低。（5）焊机情况不良。

2、解决方法

（1）采用干燥合适之焊条。（2）使用较短之电弧。（3）使用适当之电流。（4）调整适当。

（5）依各种焊丝使用说明。

焊接残余应力的产生及其消除方法第3篇

1 残余应力产生原理

残余应力是在无外力作用时,以平衡状态存在于物体内部的应力。如下面这个例子,如图1所示,设有3个弹簧,图1a)是自由状态,图1b)是用刚性板将弹簧的上下两端连接起来的状态,此时并没有从外部施加作用力,而各弹簧之间却产生了相互作用力。如果各弹簧的长度分别为l1,l2,l3,弹簧系数分别为c1,c2,c3,刚性板连接后的长度为l,则各弹簧上产生的力p1,p2,p2分别为:

p1=c1(l-l1);p2=c2(l-l2);p3=c3(l-l3)。

其中,p1,p3为正值是拉应力;p2为负值是压缩力;p1,p2,p3在各弹簧中产生的应力为残余应力。由p1+p2+p3=0,说明残余应力是以平衡状态存在于物体内部。

2 焊接残余应力的概念

焊接构件由焊接而产生的内应力称为焊接应力,按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中,某一瞬时的焊接应力称为焊接瞬时应力,它随时间而变化;焊后残留在焊件内的焊接应力称为焊接残余应力[3,5]。

3 焊接残余应力产生的原因及影响因素

焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。焊接应力按其发生源来区分,有如下3种情况:1)直接应力。这是进行不均匀加热和冷却的结果,它取决于加热和冷却时的温度梯度,是形成焊接残余的主要原因。2)间接应力。这是由焊前加工状况所造成的应力。构件若经历过轧制或拉拔时,都会使之具有此类残余应力。这种残余应力在某种场合下会叠加到焊接残余应力上去,而在焊后的变形过程中,往往也具有附加性的影响。另外焊件受外界约束产生的附加应力也属于此类应力。3)组织应力。这是由组织变化而产生的应力,也就是相变造成的比容变化而产生的应力。它虽然因含碳量和材料中其他成分不同而异,但一般情况下,这种影响必须要加以考虑的是发生相变的温度和平均冷却速度。

焊接应力的产生和发展是一个随加热与冷却而变化的材料热弹塑性应力应变动态过程。以熔焊方法为例,影响这一过程的主要因素有以下两个方面:

1)材料物理特性和力学性能的影响。一些常用材料的热物理特性在给定的温度T区间的平均值见表1。热导率λ,比热容c,密度ρ或由这几个参数联合表示的热扩散率α=λ/cρ,以及热焓S是影响焊接温度场分布的主要物理参数。线膨胀系数a随温度的变化则是决定焊接热应力、应变的重要物理特性。

2)不同类型焊接热源的影响。焊接时的热输入是产生焊接应力的决定性因素。焊接热源的种类、热源能量密度的分布、热源的移动速度、被焊接件的形状与厚度都直接影响着热源引起的温度场分布,因而也改变着焊接残余应力的分布规律。

4 焊接残余应力的消除方法[5]

由于构件中残余应力的不良影响,科技人员针对构件中残余应力的控制与消除做了大量的工作:1)通过改善加工工艺参数,尽量减少残余应力;2)提出一些消除残余应力的措施。

4.1 热处理法

用热作用消除残余应力与蠕变和应力松弛现象有密切的关系。热处理法是将焊接构件整体或局部以一定的加热速度加剧到A1相变点以下适当温度,数小时或数日的长时间保温,然后再进行缓冷的过程。这种方法不仅能消除焊接残余应力,而且还能使大多数钢的焊接区材质得到改善。

4.2拉伸法

这是在构件的断面上,仅仅施加均匀的拉应力使之产生塑性变形,它的方向与焊接时压缩塑性变形相反,并由此而使应力得到松弛的方法。

4.3振动法

这种方法是把小构件安装在适当的台上并给予振动,对大型构件可直接将振动设备夹固在适当支撑的构件上进行振动,振动的大小需根据焊件的重量和几何形状等因数来确定。根据有关资料,振动应力在20 MPa～35 MPa的范围内振动效果最佳。这种处理方法的优点在于设备投资不到热处理的10%,生产费用为热处理的10%左右,节约能源98%以上。

4.4爆炸法

爆炸处理消除焊接残余应力是近30年来出现的一种新的消除残余应力工艺。我国从20世纪80年代初进行此项技术的研究和应用推广工作,已经取得了较好的社会经济效果。这一方法是用适当的炸药以适当的方式在焊接构件上的焊接残余应力区内引爆,利用爆炸冲击波的能量使残余应力区产生塑性变形,从而达到减少或消除残余应力的目的。研究证明,爆炸处理不仅可以完全消除焊接区残余拉应力,如果需要还可以在焊接区造成残余压应力。

5结语

1)伴随焊接过程的进行,会在焊接构件的内部产生自相平衡的内应力。根据作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。2)焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。按其发生源来区分可分为直接应力、间接应力、组织应力。焊接残余应力一般主要是由直接应力造成的。3)以熔焊方法焊接的构件,其焊接残余应力的大小和分布主要与材料物理特性和力学性能、不同类型焊接热源等有关。4)焊接残余应力在焊接结构中普遍存在,只要采用适当的处理方法是可以减小或消除的。

摘要：在分析残余应力产生原理的基础上,介绍了焊接残余应力的概念,并探讨了焊接残余应力产生的原因及其影响因素,提出了消除焊接残余应力的方法,指出研究和测量构件中残余应力对生产和科学试验具有重要意义。

关键词：焊接,残余应力,物理特性

参考文献

[1]程书力.基于温度和应力场的焊接残余应力数值分析[D].南昌:南昌大学建筑工程学院硕士学位论文,2007.

[2]陈会丽,钟毅,王华昆,等.残余应力测试方法的研究进展[J].云南冶金,2005,34(3):123-124.

[3]佘昌莲.焊接结构的残余应力研究[D].武汉:武汉理工大学交通学院硕士学位论文,2006.

[4]翟晓鹏,张系斌,刘泰凤.T型钢节点焊接残余应力及变形研究[J].山西建筑,2007,33(8):57-58.

[5]宋天民.焊接残余应力的产生与消除[M].北京:中国石化出版社,2004.

焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结第4篇

周尚谕

（华东交通大学

材料加工工程，江西南昌 330013）

摘要：焊接残余变形可以从设计和工艺两个方面来解决。而设计上如果考虑的比较周到，注意减少焊接变形，往往比单独从工艺上来解决问题要方便的多。相反，如果设计考虑不周，则往往会给生产带来许多额外的工序，大大延长生产周期，提高产品的成本。因此，我们应该充分了解内应力产生的原因和形成变形的基本规律，以控制或减小焊接应力和变形的危害。

关键词：焊接；残余变形；焊接结构；预防；控制

The prevention and the control welds the

remaining distortion

ZHOU Shang-yu(East China jiaotong university，jiangxi nanchang 330013）

Abstract：Welds the remaining distortion to be possible solves from the design and the craft two aspects.But designs, if considers to be quite thorough, the attention reduction welding deformation, often compared to alone solves many which from the craft the question must facilitate.On the contrary, if design consideration not week, will then often bring many extra working procedures to the production, will lengthen the production cycle greatly, will enhance the product the cost.Therefore, we should understand fully the internal stress produces the reason and forms the distortion the basic rule, controls or reduces the welding stress and the distortion harm.Key word：Welding;Remaining distortion;Welding structure;Prevention;Control 1 引言

焊接技术在工业中的应用的历史并不长，但它的发展却是非常迅速的。短短的几十年中，焊接已在许多工业部门的金属结构中，如建筑钢结构，船体，铁道车辆，压力容器中几乎全部取代了铆接。不仅如此，在机械制造领域，过去的整铸整缎方法生产的大型毛坯改成了焊接结构，大大简化了生产工艺，降低了成本[1]。然而，焊接结构不可避免的会产生很多的缺陷，其中，焊接残余变形是焊接结构不可避免的缺点之一，它的存在造成了焊接结构形状变异、尺寸精度下降和承载能力降低，并在工作载荷作用下引起附加弯矩应力和应力集中，是造成焊接结构早期失效的主要原因，也是造成焊接接头疲劳强度下降的原因之一。人们采取了许多工艺方法来预防和控制焊接残余变形[2-4]，如，反变形方法、刚性固定法、合理选择焊接顺序、限制焊接线能量等，也经常采用理论计算来评估焊接变形叫，这为改善焊接结构的质量提供了保障。2 预防焊接结构变形的措施

2.1设计措施

预防焊接变形的措施：结构设计(1)合理的选择缝尺寸和形式

a)对于板厚的对接接头：多采用X型焊缝；厚度更大的采用U型、双U型、窄间隙深坡口焊缝。

b)保证承载能力的情况下，尽可能减少焊缝，但也不要太小，太小的焊缝，冷却速度过大，容易产生一系列焊接缺陷。

c)对于受力较大的T/十字型接头，在保证相同强度条件下，采用开坡口的焊缝可以比一般焊缝减少焊缝金属。

d)当计算确定T型接头焊缝时，采用双面角焊缝代替单面角焊缝。e)设计的结构尽可能使R多数焊缝可以自动焊，薄板焊用CO2气体保护焊代替手工焊或气焊，用接触点焊代替熔化焊。

(2)尽量减少不必要的焊缝。

(3)合理的安排焊缝的位置，安排焊缝尽可能对称于截面中性轴。a)焊缝接近断面中性轴，可以减小焊缝所引起的挠曲。b)由于横向收缩量通常要比纵向收缩量明显，应取焊缝布置于平行于最小变形方向。

c)夹具尽可能不影响薄板因焊缝而失稳。d)夹具不影响焊后结构尺寸。2.2工艺措施(1)反变形法

这是生产中最常用的方法。为了抵消焊接残余变形，焊前预先使焊件向焊接变形相反的方向变形。V形坡口对接焊中，均采用了反变形法来控制焊后的残余角变形，例如工字梁焊后产生的角变形，可在焊前预先将翼板制成反变形，然后焊接以抵消焊后变形。

(2)刚性固定法

这种情况是在没有反变形的情况下，焊前对焊件采取外加刚性约束，使焊件在焊接时不能自由变形。例如把薄板焊件固定在平台上，然后再焊接就能很好的控制焊接变形。

(3)选择合理的装配焊接顺序

采用不同的装配和焊接顺序，会产生不同的变形效果。如工字梁的焊接，采用两种不同的装焊顺序，产生的变形效果不同。如果先焊接成丁字形，然后再装配另一块翼板。在焊接丁字形结构时，由于焊缝分布在中性轴的下方，焊后将产生较大的上拱弯曲变形，即使另一块翼板焊后会产生的反向弯曲变形，也难以抵消原来产生的变形，最后工字梁将形成上拱弯曲变形。第二种先整体装配成工字梁，然后再进行焊接，此时梁的刚性增加，再采用对称、分段的焊接顺序，焊后上拱弯曲变形就小得多。这是先总装后焊接的控制结构焊后变形的工艺措施[5]。

对于不能一次总装成型的焊接结构，采用分步总装，逐步克服[6]。同样能起到适当控制结构的残余变形。如制作一个中间带有若干个隔板的箱形封闭式梁，在总装工艺中不能一次成型，只有分两步走：先制成一个“”形梁, 然后再在上方盖上盖板, 即形成一个“口”形的箱梁。在第一步总装过程中, 采取合理的焊接方向和焊接顺序等方法, 以求最大限度地减少结构的弯曲变形。这样, 到工艺结束, 工件的残余变形仍然很小, 一般不需再处理就能达到结构要求。

(4)合理选择焊接方法和规范

1)对称焊接。如果焊接结构的焊缝是对称布置的，应该采用对称焊接。这时应注意焊接顺序，采用分段、跳焊的对称焊接，通过先后焊缝的熔敷量来控制变形量，效果很好。

2)不对称焊缝。如果焊接结构的焊缝是不对称布置的，采用先焊焊缝少的一侧，使后焊的焊缝产生的变形足以抵消先前的变形，以使总的变形减小。

3)采用不同的焊接顺序。结构中若是长焊缝，采用连续的直通焊，将会造成较大的变形，在实践中常采用分段退焊法、分中段退焊法、跳焊法和交替焊法不同的焊接顺序来控制变形[5]。

同时保证选用线能量低的焊接方法。(5)散热法

用强迫冷却的方法将焊接区的热量带走，使受热面积大为减少，从而达到减小变形的目的。应该注意，散热法不适应谇硬倾向大材料。3 矫正焊接变形的方法

(1)机械矫正法

利用外力使构件产生与焊接变向相反的塑性变形，使两者相互抵消。例如用加压机构来矫正工字型梁的焊接变形。

(2)利用机械拉伸法来消除焊接残余应力

产生焊接残余应力的根本原因是焊件焊后产生了压缩残余塑性变形。因此，焊后对焊件进行加载拉伸，产生拉伸塑性变形，它的方向和压缩残余变形相反，结果使压缩残余变形小，因而焊件中的焊接残余应力亦随之同步减小。

机械拉伸消除应力法对于一些焊后需要进行液压试验的焊接容器特别有意义，因为液压试验时容器所承受的试验压力均大于容器的工作压力，例如钢制压力容器其试验压力为容器工作压力的1.25 倍，所以容器在进行液压试验的同时，对容器材料进行了一次相当于机械拉伸的膨胀，从而通过液压试验，消除了部分焊接残余应力。

(3)利用锤击焊缝区来控制焊接残余变形

焊接残余应力产生的根本原因是由于焊缝在冷却过程中的纵向收缩和横向收缩，因此焊后利用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属展开，能有效减少焊接残余应力，利用锤击法可使应力减少1/2～1/4。进行锤击焊缝时，焊件温度应当维持在100 ℃～150 ℃之间或在400 ℃以上，避免在200 ℃～350 ℃之间进行，因为此时金属正处于蓝脆性阶段，若锤击焊缝容易造成断裂[7]。

多层焊时，除第一层和最后一层焊缝外，每层都要锤击。第一层不锤击是为了避免产生根部裂纹，最后一层焊缝通常焊得很薄，主要是为了消除由于锤击而引起的冷作硬化。

(4)利用火焰法控制焊接残余变形

利用火焰对焊件进行局部加热时产生的塑性变形, 使较长的金属在冷却后收缩, 以达到矫正变形的目的称为火焰加热矫正法。火焰加热矫正法矫正焊件残余变形时要注意以下事项[7]：

①加热用火焰通常采用氧乙炔焰，火焰性质为中性焰，如果要求加热深度小时，可采用氧化焰。

②对于低碳钢和低合金结构钢，加热温度为600 ℃～800 ℃，此时焊件呈樱红色。

③火焰加热的方式有点状、线状和三角形三种，其中三角形加热适用于厚度大、刚性强的焊件。

④加热部分应该是焊件变形的突出处，不能是凹处，否则变形将越矫越严重。⑤矫正薄板结构的变形时，为了提高矫正效果，可以在火焰加热的同时用水急冷，这种方法称为水火矫正法。对于厚度较大而又比较重要的构件或者淬硬倾向较大的钢材，不可采用水火矫正法。

⑥夏天室外矫正，应考虑到日照的影响。因为中午清晨的加热效果往往不样。⑦薄板变形的矫正过程中，可同时使用木锤进行锤击，以加速矫正效果。火焰成形基本上采用线状加热，按照按照工艺方法的不同可分为三种：(1)不用水冷的火焰加热，简称空冷。(2)采用正面跟踪水冷的火焰加热法，简称正冷。(3)采用背面跟踪水冷的火焰加热法，简称背冷。

三种线状加热方法具有不同的特点：(1)角变形效果以背冷最大，空冷次之，正冷最小。(2)横向收缩效果一背冷最大，正冷次之，空冷最小。4发展趋势

随着技术和工艺的进一步发展，现在我们又提出了许多更进一步的能够减少和改善残余变形的工艺方法。这些工艺以及一些还未提出的工艺的宗旨都是为了尽量降低焊接残余变形以及对不引起残余变形的追求。以尽可能简明的设计，尽可能少的工艺，尽可能短的焊接焊缝，更加自动化、智能化的操作，减少焊接对于工件变形的影响。

下面介绍几种新的调整和控制焊接残余变形的方法。

预拉伸法[8]：这种方法是机械拉伸法的扩展。在平板对接焊之前，在焊缝两侧对平板施加一个与焊接方向平行的拉伸载荷，使平板在受载的情况下进行焊接。这种方法由于预先施加拉伸载荷，在焊接热输入的作用下，焊缝附近的材料较早处于屈服状态，使平板焊缝在塑形状态下被拉伸延展，因此可以抑制平板的纵向收缩变形。并且焊后去除拉伸载荷，平板内的纵向残余应力可以降低，其降低幅度与与拉伸载荷相当。

焊时温差拉伸：这种方法是焊后温差拉伸法的扩展。平板对接焊时，采用专门的工装夹具，在焊缝下方放置一个空腔内通以冷却水的铜垫板，在焊缝两侧用电加热带加热，这样就会在焊缝附近造成一个马鞍形的温度场。在这种条件下进行焊接，马鞍形温度场的高温区(焊缝两侧)膨胀，会对温度相对较低的焊缝区施加拉伸作用，使焊缝的纵向收缩得到抑制，因此可以降低残余应力和减小变形。

随焊激冷法：又称为逆焊接加热法，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获得比相邻区域(母材)更低的负温度，在冷却过程中，焊接区由于受到周围金属的拉伸而产生伸张塑性变形，从而抵消焊接过程中形成的压缩塑性变相，达到消除残余应力的目的。5结语

焊接技术的发展随着技术的革新，会越来越先进，国外的同行在机械制造业确实要相对国内发展的更加精细，我们要学会“拿来主义”，同国外同行多交流，尽量减少自己走弯路的可能，同时要在借鉴的基础之上，发展和创新。相信中国的焊接技术会逐步的走向世界先进行列乃至领先世界同行业。参考文献

[1]田锡唐.焊接结构[M].北京:机械工业出版社,1982.1-2.[2]奥凯尔勃洛姆.焊接应力与变形[M].雷原译.北京:中国工业出版社, 1958.30-78.[3]田锡唐.焊接结构[M].北京:机械工业出版社,1982.5-18.[4]霍立兴.焊接结构工程强度[M].北京:机械工业出版社,1995.26-36.[5]沙慧丽.防止和减少焊接残余变形与应力的措施[J].职业.山东济宁技术学院,2009,(5).[6]吴居登,施建章.从装焊顺序入手来控制焊接残余变形的方法和应用[J].中国修船,2001,(6).[7]使用火焰法、机械拉伸法、锤击焊缝区来控制焊接残余变形[J].电焊机, 2008,(02)

焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结第5篇

机械加工中的焊接作业作为钢结构中的重要工艺, 牵涉到材料、电弧物理、热学和力学等学科。焊接质量的好坏直接关系到工程质量的优劣、工程结构的安全。焊接结构在汽车、建筑、道桥、压力容器、压力管道等工业领域中应用非常广泛。焊接过程中的温度变化不可避免地要在焊缝区域产生焊接残余应力。当焊接残余应力与外加载荷产生的应力叠加后, 往往会使结构件局部应力过大, 使其应有的承载能力下降, 或使其形状和尺寸发生变化, 若变形过大会导致结构失效。工程上许多重大事故大多是由结构件中的残余应力引起的, 因此, 研究和测量构件中残余应力对实际生产有着非常重要的现实意义。

1 残余应力的概念

在焊接构件内部由焊接而产生的内应力称为焊接应力。因作用时间不同可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。在焊接过程中, 产生于某一瞬时的焊接应力称为焊接瞬时应力, 它随时间变化而变化;焊后经一段时间仍残留在焊件内的焊接应力称为焊接残余应力。

2 残余应力产生原理

在没有外力作用时, 以平衡状态存在于物体内部的应力称为焊接残余应力。其产生原理如图1所示, 图1 (a) 是处于自由状态的3个弹簧, 图1 (b) 是用钢板将3个弹簧的上下两端连接起来的状态, 此时没有其他外力作用, 构件静止时各弹簧之间必然存在相互作用力。若3个弹簧的原始长度分别为l1, l2, l3, 倔强系数分别为c1, c2, c3, 钢板连接后的平均长度为l, 则各弹簧上受到的力分布是p1, p2, p3, 且应该有p1=c1 (l-l1) , p2=c2 (l-l2) , p3=c3 (ll3) 。

其中, p1, p3受拉力作用设为正值;p2受压应力作用设为负值;此时p1, p2, p3在各弹簧中产生的应力为残余应力。由于构件静止, 所以必然有p1+p2+p3=0, 说明残余应力必然是以平衡状态存在于物体内部的。由于不同部位的内应力不可能一致, 所以随着时间的推移, 焊件的形状和尺寸必然发生变化, 因此必须对其进行必要的处理, 保证焊件的质量。

3 焊接残余应力产生的原因及影响因素

焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中焊件不均匀受热所产生的。焊接应力按其来源可分成三种情况: (1) 直接应力。它是因焊件受热和冷却不均匀而产生的, 取决于加热和冷却时的温度变化速度, 是产生焊接残余应力的最主要原因; (2) 间接应力。它是由焊前构件加工过程中所产生的应力。轧制或拉拔的构件都会具有相应的残余应力。含有此类残余应力的构件经焊接后原来的残余应力会叠加到焊接残余应力上, 在焊后的变形过程中, 往往也具有一定的影响。另外焊件在工作时受其它构件作用产生的附加应力也应归于此类; (3) 组织应力。它是由材料的金相组织发生变化而产生的。此种应力固然与材料中碳含量和其他金属、非金属含量有关, 但还与发生相变时的温度和冷却速度有很大关系。

以熔焊法为例, 影响残余应力的主要因素体现在以下两个方面:

(1) 材料热学性能和力学性能的影响。部分常见金属材料的热学性能在给定的温度T区间的平均值见表1。其中热膨胀系数α和导热系数λ是决定焊接热应力-应变的重要参数。热膨胀系数α、导热系数λ, 比热容c, 密度Q, 热焓S等都是影响焊接温度分布的主要物理参数。

(2) 不同类型焊接热源的影响。产生焊接应力的决定性因素是焊接时的热输入。焊接热源的种类、热源的变化速度、热能密度的分布、焊件的形状与尺寸等都影响着热源引起的温度场分布, 因而影响着焊接残余应力的分布规律。

4处理焊接残余应力的方法

4.1 减少残余应力的焊前措施

(1) 合理的结构设计。焊件在设计时应该结构尽量简单、尺寸合理、所用材料工艺性好、厚薄变化均匀等都能有效地减少焊接应力, 提高产品的合格率。

(2) 合理的工艺设计。设计焊接工艺时应尽量做到, 减少焊接接头数量;焊缝与焊缝间应保留足够的距离;焊缝应避免交叉, 尽量不要出现十字焊缝;焊缝要尽量远离高应力区;焊前预热等等。

4.2 消除残余应力的焊后措施

(1) 热处理消除法。在生产中热处理是常用的消除焊接残余应力的方法。退火是工程上最常采用的处理方法。退火温度越高、保温时间越长, 消除焊接残余应力的效果也就越好。但是温度过高带来的负面效应也很明显, 它会使工件表面氧化速度加快, 金相组织发生变化的可能性增大, 甚至影响构件的机械强度或表面特性。高温蠕变与应力松弛理论为此提供了一种新的解决问题的方法, 工件在较低温度时会发生蠕变, 材料内部的残余应力会因应力松弛而减小, 只要保温时间满足要求, 从理论上讲残余应力就可以彻底消除。采用低温消除焊接残余应力时, 材料的金相组织和机械、表面性能等几乎不发生变化, 对构件使用性能的影响基本可以忽略, 这样就实现了在保持材料力学性能和金相组织基本不变的情况下有效降低焊接残余应力的目的。

(2) 拉伸消除法。残余应力也可采用机械拉伸法 (预载法) 来处理, 例如对压力容器或压力管道可以采用加压试验, 也可在焊缝两侧局部加热到200℃, 造成一个高温区, 使焊缝区因高温膨胀而得到拉伸, 以减小并消除焊接残余应力。

焊接残余应力的消除和调整必须采取正确的焊接顺序, 合理的焊接工艺, 较低的焊件刚度, 并在焊件的某些部位局部加热, 使焊缝能在一定范围内自由收缩。如果焊接的各个环节都有效减小残余应力, 最终便可以极大地提高材料的使用寿命和机械性能, 在机械加工工程上具有重要的现实意义。

(3) 机械振动法。机械振动法是利用由偏心轮和变速电机组成的激振器, 使焊接结构件发生共振所产生的循环应力来降低焊接内应力的方法。经过对其残余应力的变化情况分析得出, 当交变载荷达到一定数值, 经过多次循环振动后, 焊接结构中的残余应力明显降低。

这种处理方法所用设备简单, 成本较低, 时间较短, 无高温回火给金属表面造成的氧化问题, 目前在生产中使用较为广泛。

(4) 爆炸消除法。从20世纪80年代初期, 我国部分专家开始从事新的消除残余应力方法的研究, 并取得了一定的实际效果。该方法是用适量的炸药以适当的方式在焊接构件的残余应力区内沿一定方向引爆, 利用爆炸产生的冲击波使残余应力区发生塑性变形, 以此减少或消除残余应力, 此法称为爆炸消除法。爆炸消除法不仅可以彻底消除焊接区残余拉应力, 还能在焊接区造成有益的残余压应力, 但难度在于对爆炸的当量及方向的控制上。

5结语

(1) 在焊接的整个过程中, 都会在焊接构件的内部产生自相平衡的内应力。因作用时间不同可分为瞬时应力和残余应力。

(2) 残余应力的产生主要是由焊接过程中加热不均引起的。按其发生源不同分为直接应力、间接应力和组织应力。焊接残余应力主要是由直接应力形成的。

(3) 采用熔焊法焊接的构件, 其焊接残余应力的大小和分布主要与材料热特性、力学性能和不同类型焊接热源有关。

(4) 焊接残余应力在焊缝区域内普遍存在, 只要采用适当的处理方法是能够减小或消除的。不同的残余应力消除法适应不同的焊接构件, 决不可用一种方法来处理各种不同材料、不同结构、不同尺寸的焊件。

摘要：焊接过程必不可免的要产生焊接残余应力, 由焊接残余应力产生的原理入手, 分析焊接残余应力产生的真正原因及其影响因素, 最后提出了减小及消除焊接残余应力的具体方法, 指导实际生产。

关键词：焊接,残余应力,消除方法

参考文献

[1]佘昌莲.焊接结构的残余应力研究[D].武汉:武汉理工大学硕士论文, 2009.

[2]陈会丽, 钟毅, 王华昆, 等.残余应力测试方法的研究[J].云南冶金, 2010.

[3]程书力.基于温度和应力场的焊接残余应力数值分析[D].南昌:南昌大学硕士论文, 2007.

焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结第6篇

1 焊接残余应力实际测量方法

1.1 机械测量方法

1.1.1 盲孔法。

盲孔法是通过在焊接接头处钻削成孔来获得小孔周围的应变释放量, 根据该应变计算焊接残余应力。

1.1.2切块法。

切块法是从焊接接头处切下一定尺寸的试样块, 然后测量该试样块所释放的应变, 计算焊接残余应力。

1.1.3切环法。

切环法是从焊件上切取长约300mm的管段, 然后沿轴向切开, 利用该环在周向、轴向、径向的变形计算焊接残余应力。由此可见, 切环法仅适用于管材类结构件焊接残余应力的测量。

1.2 物理测量方法

1.2.1 X射线衍射法。

X射线衍射方法是应用最广泛的无损残余应力测量方法, 其原理是残余应力使得材料的晶格常数发生变化, 通过对其变化量的测量即可得到残余应力。

1.2.2中子衍射法。

中子衍射法是通过测量试样衍射峰位置的移动情况, 计算材料中沿某一方向的晶面间距相对于无残余应力状态的变化, 从而得到应变值, 进而计算出残余应力值。

1.2.3超声波法。

超声波法是一种相对较新的测量方法。该方法的原理是焊接残余应力能改变超声波的波速, 进而通过测量入射超声波的波速的变化量计算残余应力值。

1.2.4磁测法。

磁测法是利用磁致伸缩效应来测量焊接残余应力的一种无损探测方法, 其测量深度可达到数毫米, 该方法的优点是无辐射, 测量速度高[1]。

2 焊接残余应力数值模拟研究方法

焊接过程中产生的动态应力和焊接残余应力都将影响构件的变形和焊接缺陷, 而且在一定程度上还影响结构的加工精度和结构的稳定性。因此, 对焊接过程温度场和应力场的定量分析、预测、模拟具有重要意义。

2.1 焊接瞬态温度场数值模拟

瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程, 在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间不断发生变化。根据能量守恒原理, 瞬态热平衡可以用一矩阵形式表示:

式中:

[K]为传导矩阵, 包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数;[C]为比热矩阵, 考虑系统的内能增加;|T|为节点温度向量;{T}为温度对时间的导数;{Q}为节点热流率向量, 包含热生成[2,3]。

2.1.1 高斯函数分布的热源模型[4]。

焊接时, 电弧热源把热能传给焊件是通过一定的作用面积进行的, 该面积称为加热斑点。加热斑点上热量分布是不均匀的, 中心多而边缘少。费里德曼将加热斑点上热流密度的分布近似地用高斯数学模型来描述。

距加热中心任一点A的热流密度可表示为如下形式:

式中:qm为加热斑点中心最大热流密度;R为电弧有效加热半径;r为A点离电弧加热斑点中心的距离。对于移动热源

这种热源模型在用有限元分析方法计算焊接温度场时应用较多。在电弧挺度较小、对熔池冲击力较小的情况下, 运用这种模型能得到较准确的计算结果。

2.1.2半球状热源模型和椭球型热源模型[5]。

对于高能束焊接如激光焊、电子束焊等, 必须考虑其电弧穿透作用。在这种情况下半球状热源模型比较合适。这种分布函数也有一定局限性, 因为在实践中, 熔池在激光焊等情况下不是球对称的, 为了改进这种模式, 人们提出了椭球型热源模型。

2.1.3双椭球型热源模型[4]。

用椭球形热源分布函数计算时发现在椭球前半部分温度梯度不像实际中那样陡变, 而椭球的后半部分温度梯度分布较缓。为克服这个缺点, 提出了双椭球形热源模型, 这种模型将前半部分作为一个1/4椭球, 后半部分作为另一个1/4椭球。

2.2 焊接应力应变场数值模拟

影响焊接应力应变的因素有焊接温度场和金属显微组织, 而焊接应力应变场对温度场和显微组织的影响却非常小, 因此在分析时, 一般仅考虑单向耦合问题, 即焊接温度场和金属显微组织对焊接应力应变场的影响, 而不考虑应力场对它们的影响。所以在焊接热过程的数值分析中, 仅研究焊接温度场对应力应变场的影响。此外, 金属相变对焊接温度场有影响, 但影响不是太大, 所以在分析中不考虑金属相变对温度场的影响。由此, 在进行焊接应力应变场数值模拟分析时可以采用间接法。所谓间接法, 是指首先进行热分析, 然后将求得的节点温度作为载荷施加在结构应力分析中。

3 焊接残余应力数值模拟软件的应用

随着对焊接温度场、应力应变场的深入研究, 以及近几年来计算机技术的突飞猛进, 数值模拟技术有了长足的发展, 目前己经开发出许多功能庞大的数值模拟计算分析软件, 如:ANSYS、ABAQUS、ADINA、NASTRAN、MARC、SYSWELD等可供焊接研究工作者选用。这些现有的数值模拟软件具有自动划分有限元网格和自动整理计算结果, 并使之形成可视化图形的前处理、后处理功能。焊接工作者也可以利用上述商品化软件, 必要时加以二次开发, 即可以得到相应的结果, 这就明显地加速了焊接模拟技术发展的进程。

结束语

传统的焊接温度场和应力场研究依赖于试验和统计基础上的经验曲线、经验公式。但是, 从实验角度研究焊接热应力、残余应力和变形问题难度相当大, 无前瞻性, 不能全面预测和分析焊接过程对整个结构的力学特性影响。使用数值模拟方法分析焊接过程, 只要通过少量验证试验来证明数值模拟方法在处理某一问题上的适用性, 那么大量的筛选工作便可通过计算机数值模拟进行, 而不必在车间或者实验室里进行大量的试验工作, 这就大大地节约了人力物力和时间, 减少实验工作量, 减少实验盲目性。对于保证焊接结构的质量和安全可靠性, 具有重大的经济价值和现实意义。

但是, 数值模拟方法分析焊接残余应力正处于探索和发展阶段, 还存在许多问题丞待解决, 如材料的热物理性数据不足、焊接热源的热效率选取、焊接熔池的处理, 等等。

摘要：焊接过程中的加热和冷却循环不可避免地导致残余应力的产生, 从而影响焊接结构的加工精度和使用性能等。因此, 分析焊接接头残余应力大小和分布以控制和消除残余应力是非常重要的。目前, 广泛应用实际测量法和数值模拟法进行焊接残余应力大小和分布的分析。研究表明, 实际测量法的应用有一定的局限性, 数值模拟方法可以模拟焊接全过程, 从而实现对焊接过程温度场、应力应变场分析和监控, 有效地控制和消除焊接残余应力。

关键词：焊接残余应力,数值模拟,温度场,应力应变场

参考文献

[1]陈丙森.计算机辅助焊接技术[M].北京:机械工业出版社, 1999.[1]陈丙森.计算机辅助焊接技术[M].北京:机械工业出版社, 1999.

[2]张文钱.知识经济时代材料加工 (焊接) 和先进制造技术的地位与发展[J].焊接, 2001 (6) :6-10.[2]张文钱.知识经济时代材料加工 (焊接) 和先进制造技术的地位与发展[J].焊接, 2001 (6) :6-10.

[3]何孚德.焊接与连接工程学导论[M].上海:上海交通大学出版社, 1998, 12:1-8.[3]何孚德.焊接与连接工程学导论[M].上海:上海交通大学出版社, 1998, 12:1-8.

[4]李菊.钦合金低应力无变形焊接过程机理研究[D].北京:北京工业大学, 2004, 2.[4]李菊.钦合金低应力无变形焊接过程机理研究[D].北京:北京工业大学, 2004, 2.

焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结第7篇

1 焊接残余应力的成因

焊接应力是指对钢构件进行焊接加工过程中, 在焊件上产生局部高温的不均匀温度场, 焊接中心处温度可达1 800 ℃, 局部高温使材料产生不均匀的膨胀。处于高温区域的材料受到周围温度较低、膨胀量较小的材料的限制而不能自由地进行膨胀, 于是焊件内出现内应力, 使高温区的材料受到挤压, 产生局部压缩塑性应变, 在冷却过程中, 经受压缩塑性应变的材料, 由于不能自由收缩而受到拉伸, 于是焊件中又出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。另外, 由于构件受到焊接热循环的作用, 使焊缝金属的内部组织发生了不同的变化, 引起了因金属组织转变而造成体积上的变化, 产生相变应力。除上述两种原因外, 如果焊件被刚性固定或焊件之间相互牵制住, 也会在焊接件中产生焊接应力, 上述因素就是焊接残余应力的形成过程。

2 焊接残余应力的危害

焊接残余应力在钢材不同板厚、构件形状不同等条件约束下, 在构件中产生复杂的应力分布。应力分布虽然复杂, 但对构件本身来说, 其是一种自相平衡的力系, 当构件承受荷载时, 如受拉、受压等, 荷载引起的应力将与截面残余应力相叠加, 从而使构件某些部位提前达到屈服强度, 并发生塑性变形, 因此会严重降低构件的刚度、稳定性以及结构疲劳强度。

总体来讲, 焊接残余应力对构件结构强度、断裂韧性、金属材料的耐腐蚀性和疲劳寿命等有很大的危害, 因此控制与消除焊接残余应力是钢结构危害中十分重要和不容忽视的问题。

3 焊接残余应力的控制目标和措施

控制残余应力的目标是消除残余应力集中和叠加现象, 降低应力的峰值并使其均匀分布, 从而提高结构的整体承载力、增强结构的安全性。其措施有以下几种:

1) 采取合理的焊接顺序。a.对大型结构, 应从中间向四周进行施焊, 使焊缝可以由中间向外依次进行收缩。b.对于平面上的交叉焊缝, 应特别注意交叉处的焊接质量。如果接近纵向焊缝的横向焊缝处有缺陷 (如未焊透) , 则这些缺陷正好位于纵焊缝的拉伸应力场中, 会造成三向应力状态。所以要采取保证交叉点部位不易产生缺陷而又能自由收缩的顺序, 先焊错开的短焊缝, 后焊直通的长焊缝。c.应先焊收缩量最大的焊缝。如果在结构上既有对接焊缝又有角焊缝, 就应先焊对接缝, 后焊角焊缝。d.应先焊在工作时受力较大的焊缝, 使内应力合理分布。在接头两端留出一段翼缘角不焊, 先焊受力最大的翼缘对接焊缝, 然后再焊腹板对接缝, 最后焊翼缘预留角焊缝, 这样焊后可使翼缘的对接焊缝承受压应力, 而腹板对接缝受拉, 角焊缝留在最后焊可以保证腹板对接缝有一定的收缩余地, 同时也有利于在焊接对接缝时采取反变形措施以防止产生角变形。基本建设焊接构件一般都比较大, 因此十分讲究焊接顺序和施工程序。

2) 间断焊接法。为降低对焊件的加热程度, 减小加热范围, 可根据结构具体情况, 以间断的方式进行焊接。例如, 在对铸铁进行电弧冷焊时, 每次只焊一段很短的焊缝, 让其冷却到不烫手时再焊下一段, 直至全部焊完工作缝。这样焊接区附近的金属始终处在“冷态”中, 可减小焊接应力。

3) 减小焊缝尺寸。焊接内应力由局部加热循环而引起, 为此在满足设计要求的条件下, 在深化设计过程中, 不应加大焊缝尺寸和余高, 要对其焊缝尺寸给予优化, 焊缝坡口要合理, 尽量采用双面坡口, 要转变焊缝越大越安全的观念。

4) 减小焊接拘束度。拘束度越大, 焊接应力越大, 首先应尽量使焊缝在较小拘束度下焊接。如长构件需要拼接板条时, 要尽量在自由状态下施焊, 不要待到组装时再焊, 应按工艺先将其拼接工作完成, 再进行组装构件。若组装后再焊, 则因其无法自由收缩, 拘束度过大而产生很大的应力。

5) 采用补偿加热法。在构件焊接过程中为了减少焊接热输入流失过快, 避免焊缝在结晶过程中产生裂纹, 因此当板厚达到一定厚度时, 焊前应对焊缝周边一定范围内进行加热, 加热温度视板厚及母材碳当量 (CE) 而定, 此即为焊前预热。当构件上某一条焊缝经预热施焊时, 构件焊缝区域温度非常高, 伴随着焊缝施焊的进展, 该区域内必定产生热胀冷缩的现象, 而该区域仅占构件截面中很小一部分, 此外, 部分母材均处于冷却 (常温) 状态, 由此而对焊接区域产生巨大的刚性拘束, 造成很大的应力, 甚至产生裂纹。若此时在焊缝区域的对称部位进行加热, 温度略高于预热温度, 且加热温度始终伴随着焊接全程, 则上述应力状况将会大为减小, 构件变形亦会大大改观。

6) 对构件进行分解施工。对于大型结构宜采取分部组装焊接, 结构各部分分别施工、焊接, 校正合格后总装焊接。

4 焊接应力的消除

1) 利用对零件整平消除应力。钢板在切割过程中由于切割边所受热量大、冷却速度快, 因此切割边缘存在较大的收缩应力。中、薄板切割后产生扭曲变形, 便是这些应力释放的后果。对于厚板由于其抗弯截面大, 不足以产生弯曲, 但收缩应力存在是客观的。因此在整平过程中加大对零件切割边缘的反复碾压, 这对其产生的收缩应力的消除极为有利。2) 焊后热处理 (消除应力退火) 。对钢管局部烘烤释放应力。构件完工后在其焊缝背部或焊缝两侧进行烘烤。不需施加任何外力, 构件角变形即可得以校正。由此可见只要控制加热温度与范围, 此法对消除余应力是极为有效的。为便于控制加热温度, 一般采用电加热板对焊缝两侧进行加热到约650℃左右, 然后用保温棉进行保温1 h～1.5 h, 缓慢冷却, 相关的局部烘烤工作将安排在制管阶段进行。3) 合理安排计划, 增加时效期。其实构件搁置时间也是消除残余应力的一种有效方法, 构件搁置时间越长 (即时效周期) , 残余应力得到释放的越多, 从而也起到消残作用。因此在生产上合理安排, “重要”“关键”节点提前开工, 增加构件冲砂前的搁放周期, 延长时效周期也不失为一种消残的好方法。4) 利用冲砂除锈的工序进行消除应力。因为冲砂除锈时, 喷出的铁砂束高达2 500 MPa/cm2, 用铁砂束对构件焊缝及其热影响区反复、均匀的冲击, 除了达到除锈效果外, 对构件的应力消除亦将会起到良好的效果。5) 采用VSR振动时效法消除应力。对于大型厚板钢构件的最后一道, 有效消除焊接残余应力的方法就是VSR振动时效。振动时效的原理是给被时效处理的工件施加一个与其固有谐振频率相一致的周期激振力, 使其产生共振, 从而使工件获得一定的振动能量, 使工件内部产生微观的塑性变形, 从而使造成残余应力的歪曲晶格被渐渐地恢复平衡状态, 晶粒内部的错位逐渐滑移并重新缠绕钉扎, 使得残余应力得以被消除和均化。长期实践证明, 在科学地选择有效振型, 对工件关键部位施加适当应力后, 振动时效能有效降低和均化残余应力值, 能极好地稳定焊接件特别是异种钢焊接后的尺寸稳定性, 在对环状钢结构中, 稳定构件形位尺寸更是效果明显。另外, 振动时效法具有周期短、效率高、无污染的特点, 且不受工件尺寸、形状、重量等限制, 已经过大量的工程实践证明, 对消除构件焊接残余应力是有明显效果的。

参考文献