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焊接應力是焊接構件由于焊接而產(chǎn)生的應力。焊接過程中焊件中產(chǎn)生的內(nèi)應力和焊接熱過程引起的焊件的形狀和尺寸變化。焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產(chǎn)生焊接應力和變形的根本原因。

焊接應力消除是確保焊接結構尺寸穩(wěn)定性、抗疲勞性能和抗應力腐蝕能力的關鍵工藝。

由于焊接應力對焊接結構質(zhì)量造成諸多不利影響，目前國內(nèi)消消除和降低焊接殘余應力的方法主要包括熱處理法、沖擊法( 振動時效、炸裂法、錘擊、噴丸、豪克能超波沖擊等) 以及機械拉伸法( 液壓過載法、溫差拉伸法等)。

 

一、熱處理法

1、焊接應力分類與影響

1）應力類型

宏觀殘余應力：沿焊縫縱向的拉應力（可達材料屈服強度的70-90%）

微觀組織應力：相變（如馬氏體形成）導致的局部應力

2）負面影響

變形：薄板結構翹曲（如汽車門框匹配超差）

疲勞裂紋：應力集中處萌生裂紋（降低壽命30-50%）

應力腐蝕開裂：在腐蝕介質(zhì)中加速失效（如海洋平臺管道）

2、焊接應力消除方法

（1）去應力退火

工藝參數(shù)：

碳鋼：600-650℃ × 1-2h（每25mm厚度）

不銹鋼：850-900℃ × 2-4h（需控制晶粒生長）

效果：消除60-90%殘余應力

局限：大型結構爐體投資高，能耗大

（2）局部熱處理

應用：管道環(huán)焊縫、船體分段

設備：陶瓷加熱毯 + 溫控系統(tǒng)（精度±10℃）

標準：ASME Sec VIII Div.1

它是將容器加熱到550~ 650攝氏度, 最高不能超過材料的相變點或鋼材自身的回火溫度， 保溫一段時間后緩慢冷卻的過程。當鋼材的溫度升高時，其屈服強度下降，這樣原有的彈性應變會成為塑性應變，從而使應力松弛。

消除應力熱處理質(zhì)量的好壞關鍵在于對加熱溫度、保溫時間、以及溫度的均勻性，等工藝參數(shù)進行控制。熱處理的溫度越高，保溫時間越長，應力消除的越徹底。研究證明，經(jīng)過消除應力熱處理后工件的應力一般能消除60% ~80%以上。

 

二、振動時效法

原理：共振使位錯滑移，應力重分布

參數(shù)：

頻率：50-200Hz（需避開結構固有頻率）

時間：20-40分鐘/米焊縫

效果：消除30-50%應力，效率高（汽車生產(chǎn)線常用）

標準：JB/T 5926-2005

振動時效處理是工程材料常用的一種消除其內(nèi)部殘余內(nèi)應力的方法，是通過振動，使工件內(nèi)部殘余的內(nèi)應力和附加的振動應力的矢量和達到超過材料屈服強度的時候，使材料發(fā)生微量的塑性變形，從而使材料內(nèi)部的內(nèi)應力得以松弛和減輕。

振動時效的實質(zhì)是通過振動的形式給工件施加一個動應力，當動應力與工件本身的殘余應力疊加后，達到或超過材料的微觀屈服極限時，工件就會發(fā)生微觀或宏觀的局部、整體的彈性塑性變形，同時降低并均化工件內(nèi)部的殘余應力，最終達到防止工件變形與開裂，穩(wěn)定工件尺寸與幾何精度的目的。它是將一個具有偏心重塊的電機系統(tǒng)(稱做激振器)安放在構件上，并將構件用橡皮墊等彈性物體支承，通過控制器起動電機并調(diào)節(jié)其轉速，使構件處于共振狀態(tài)。約經(jīng)20~30 分鐘的振動處理即可達到調(diào)整殘余應力的目的，一般累計振動時間不應超過 40 分鐘。

同消除應力熱處理法相比，振動時效設備投資少，能耗降低90% ，工期也從原來的10余小時縮短至1小時之內(nèi)，而且其無氧化，尺寸精度穩(wěn)定，其應力消除效果已達到或接近熱處理的效果。

相關研究表明，采用振動時效處理可消除應力50%~70%。但目前振動時效技術在設備的可靠性以及自動控制程度還較低，并且對于是否能對材料造成其它方面的缺陷，例如疲勞損傷等方面缺乏必要的驗證。

振動時效和熱時效都是常用的去應力方法，其主要區(qū)別如下：

熱時效：通過加熱爐進行處理，不僅消耗大量的能源、占用場地和較大的設備資金投入，而且消除殘余應力的效果也因爐況的不同有很大的差異，其對殘余應力的消除率一般在 40~80%之間。但其應用廣泛，去應力徹底，但可能導致較大變形，耗能大，并且會對環(huán)境造成污染，它通常用于大型結構剛體。

振動時效：使用時將工件放置到膠皮墊上或以木塊墊起工件，使工件懸空，然后將激振電機安放并固定到工件上，調(diào)整電機激振頻率與工件自身頻率一致，產(chǎn)生共振，一般1小時以內(nèi)可完成去應力處理。振動時效雖然使用方便，但其應力消除率一般在 30~50%。而且去應力往往不徹底，但對于控制得當?shù)那闆r，去應力效果顯著。它的優(yōu)點包括變形小、耗能低、效率高、使用方便、節(jié)約能源和成本、無環(huán)境污染，并且能夠顯著提高機械性能。它特別適合大型焊接件和超重型鑄件，以及不適合高溫時效的材料和零件。

 

三、過載法

工藝：施加80-90%屈服強度的拉伸載荷

應用：壓力容器水壓試驗（同時檢測泄漏）

靜態(tài)過載法消除殘余應力是以靜力或靜力矩的形式，暫時加載于工件上，并在這種載荷下保持一段時間，從而使零件尺寸精度獲得穩(wěn)定的時效方法。 

靜態(tài)過載法消除殘余應力既可用于鑄件，也可用于焊接結構件，只是用于焊件時需要將載荷加大到使原始應力與附加應力之和接近材料的屈服極限，才能消除殘余應力。 

靜態(tài)過載法穩(wěn)定工件尺寸精度的效果，取決于加載時工件中產(chǎn)生的附加應力的大小及在應力下保持的時間。

靜態(tài)過載處理后工件中仍然保持相當大的殘余應力。因此，機械粗加工應在過載處理前進行。對特別精密的零件，機械加工余量需合理地分成兩部分，其中大部分在過載處理前加工掉，只留一小部分待過載處理后的精加工時再去除。

振動時效消除殘余應力是將工件在固有頻率下進行數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘的振動處理，消除和均化其殘余應力，使尺寸精度獲得穩(wěn)定的一種方法。JH振動時效設備工藝具有耗能少、時間短、效果顯著等特點，在國內(nèi)外已得到迅速的發(fā)展和應用。

 

四、爆炸法

指通過計算和合適的布置，利用少量炸藥爆炸時產(chǎn)生的高溫和巨大壓力，來對工件進行處理。一方面在緊靠炸藥的焊縫區(qū)，由于爆炸沖擊載荷與殘余應力疊加而超過了材料的動態(tài)屈服強度，隨即產(chǎn)生塑性變形，原始殘余應力開始釋放。

同時, 應力波經(jīng)2~ 3 次的反射后，或在壓力容器的其它部位應力波的峰值與殘余應力疊加雖小于材料的動態(tài)屈服值。但由于振動產(chǎn)生的消除應力的效果，可使壓力容器各部分的殘余應力都產(chǎn)生不同程度的降低。

爆炸法成本很低、工期短，對設備和場地幾乎沒有要求，從質(zhì)量上講不但可以有效消除焊接殘余應力，而且在處理區(qū)域可以形成一定的壓應力。

由于缺乏必要的深入的研究，雖然同消除應力熱處理相比該技術具有一定的優(yōu)越性，但其應用和控制的準確性、可靠性方面，還不能使人完全信服，因此并未在整個壓力容器制造行業(yè)得到推廣。

 

五、液壓超載法

液壓超載法是一種通過施加超過工作狀態(tài)的外載荷來消除焊接殘余應力的技術。

液壓超載法是指在可控條件下，對容器施加一次或多次比其工作狀態(tài)下稍大的外載荷。該載荷形成的應力與容器局部存在的焊接殘余應力疊加，當合成應力達到材料屈服極限時，局部區(qū)域便產(chǎn)生了塑性變形。

由于容器本身是連續(xù)的，在外載荷卸除過程中，屈服變形區(qū)域與彈性變形區(qū)域同時以彈性狀態(tài)回復，存在與容器內(nèi)部的焊接殘余應力隨之獲得釋放而被部分消除。此技術一般是通過水壓試驗來進行的，這對于一些焊后需要進行液壓試驗的焊接容器特別有意義。

因為水壓試驗時容器所承受的試驗壓力均大于容器的工作壓力，例如鋼制壓力容器其試驗壓力為容器工作壓力的1. 25 倍，所以容器在進行水壓試驗的同時，對容器材料進行了一次相當于機械拉伸的膨脹，從而消除了部分焊接殘余應力。

試驗結果表明，當容器材料選定時，殘余應力消除效果與水壓試驗的壓力成正比，因此可以適當?shù)奶岣咚畨涸囼灥膲毫σ岳谙龤堄鄳Α?/span>

由于水壓試驗是壓力容器制造過程中必經(jīng)的工序，因此采用此方法無需增加設備的投入，工期短、成本低、體現(xiàn)了良好的經(jīng)濟效益。

 

六、錘擊/噴丸法

錘擊工具：

氣動針式錘（用于焊縫表面）

超聲沖擊槍（精度更高）

參數(shù)控制：

沖擊能量：0.5-2J

覆蓋率：100-200%

效果：

表面形成壓應力層（深度0.5-1mm）

提升疲勞壽命2-3倍

采用錘擊法適用于較長的焊縫和堆焊層。焊縫金屬在冷卻時由于焊縫收縮時受阻而產(chǎn)生應力，這時趁著焊縫和堆焊層還在赤熱的狀態(tài)下用錘輕敲焊縫區(qū)，焊縫金屬在迅速均勻的錘擊下產(chǎn)生橫向塑性伸展，使焊縫收縮得到一定補償，從而使該部位的拉伸殘余應力的彈性應變得到松弛，焊接殘余應力即可部分消除。

錘擊應在較高的溫度下進行, 但應避開材料的藍脆范圍。多層焊時，第一層和最后一層焊縫不用錘擊，其余每層都要錘擊。

第一層不錘擊是為了避免產(chǎn)生根部裂紋，最后一層焊縫要焊接得較薄，以便消除由于錘擊而引起的冷作硬化。

錘擊法從原理上講對防止應力腐蝕開裂是會有一定的抑制作用，在實際壓力容器制造中應用的比較廣泛。

但是由于在實踐操作過程中沒有量化指標和較嚴格的操作規(guī)程，受人為操作因素影響較大，加上對比使用的驗證工作不夠，始終未被現(xiàn)行標準所采用，無法作為消除應力的最終處理，目前大多作為焊接過程中的應力松弛手段，也可用于難于進行熱處理的奧氏體不銹鋼焊接中。

 

七、豪克能法

豪克能消除應力是一種通過超聲沖擊設備來消除焊接殘余應力的技術。

豪克能消除應力處理能同時改善影響焊縫疲勞性能的幾個方面的因素，如焊趾幾何形狀、殘余應力、微觀裂紋和熔渣缺陷、表面強化等，從而大幅度提高焊接接頭的疲勞強度和疲勞壽命。這種處理方法可以達到80%以上的焊接應力消除率，并預置壓應力，增強焊接強度。豪克能消除應力不受工件材質(zhì)、形狀、結構、鋼板厚度、重量、場地之限制，特別是在施工現(xiàn)場、焊接過程和焊接修復時用于消除焊接應力更顯靈活方便。

豪克能消除應力是最徹底消除焊接應力的方法，它不僅使殘余應力的消除率達到 80~100%，而且還能產(chǎn)生理想的壓應力，這對焊接構件的抗疲勞性能和抗應力腐蝕性能也大有益處。但毫克能處理是使用沖擊槍對準焊縫，沿焊縫掃一遍，對于車架等焊縫較多的構件來說處理起來較麻煩，時間較長，勞動強度較大。