焊接应力产生的原因及处理方法

1．焊接应力的分类

焊接过程是一个先局部加热，然后再冷却的过程。焊件在焊接时产生的变形称为热变形，焊件冷却后产生的变形称为焊接残余变形，

这时焊件中的应力称为焊接残余应力。焊接应力包括沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。

2．焊接残余应力对结构性能的影响

（1）对结构静力强度的影响：焊接应力不影响结构的静力强度。（2）对结构刚度的影响：焊接残余应力降低结构的刚度。

（3）对受压构件承载力的影响：焊接残余应力降低受压构件的承

载力。

（4）对低温冷脆的影响：增加钢材在低温下的脆断倾向。

（5）对疲劳强度的影响：焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显

不利影响。

焊接变形的基本形式有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭

曲变形等。

焊接过程中，对焊件进行不均匀加热和冷却，是产生焊接应力和

变形的根本原因。

减少焊接应力与变形的工艺措施主要有：

一、预留收缩变形量。根据理论计算和实践经验，在焊件备料及加

工时预先考虑收缩余量，以便焊后工件达到所要求的形状、尺寸。

二、反变形法。根据理论计算和实践经验，预先估计结构焊接变形的

方向和大小，然后在焊接装配时给予一个方向相反、大小相等的预置变形，以抵消焊后产生的变形。

三、刚性固定法。焊接时将焊件加以刚性固定，焊后待焊件冷却到

室温后再去掉刚性固定，可有效防止角变形和波浪变形。此方法会增大焊接应力，只适用于塑性较好的低碳钢结构。

四、选择合理的焊接顺序。尽量使焊缝自由收缩。焊接焊缝较多的

结构件时，应先焊错开的短焊缝，再焊直通长焊缝，以防在焊缝交接

处产生裂纹。如果焊缝较长，可采用逐步退焊法和跳焊法，使温度分

布较均匀，从而减少了焊接应力和变形。

五、锤击焊缝法。在焊缝的冷却过程中，用圆头小锤均匀迅速地锤

击焊缝，使金属产生塑性延伸变形，抵消一部分焊接收缩变形，从而

减小焊接应力和变形。

六、加热“减应区”法。焊接前，在焊接部位附近区域(称为减应区)进行加热使之伸长，焊后冷却时，加热区与焊缝一起收缩，可有效减

小焊接应力和变形。

七、焊前预热和焊后缓冷。预热的目的是减少焊缝区与焊件其他部

分的温差，降低焊缝区的冷却速度，使焊件能较均匀地冷却下来，从

而减少焊接应力与变形。

焊后消除应力处理：

1、整体热处理：消除应力的程度主要决定于材质的成分、组织、加

热温度和保温时间。低碳钢及部分低合金钢焊接构件在650度，保温20~40h，可基本消除全部残余应力。

另外还有爆炸消除应力。

2、局部热处理：大型焊接结构，受加热炉的限制或要求不高时采用

这种方法。可采用火焰、红外、电阻、感应等加热方式，应保持均匀

加热并具有一定的加热宽度。低合金高强钢，一般在焊缝两侧各

100~200mm。

3、机械拉伸、水压试验、温差拉伸、振动法等这几种方法只能消除

20~50%的残余应力，前两种方法在生产上广泛应用。

焊接后进行去应力处理，有自然时效处理（时间长，去应力不彻底，）、震动时效（效率高，费用低，只能去除焊接应力的70%左右）人工加热时效（时间短费用较高，能100%去除焊接应力，同时能进行去氢处理）。

采用大型燃油退火炉，进行焊后退火处理。采用多点加热、多

点温度控制方式，温控采用热电偶自动控制仪表控制加热，使炉内

各部温度均匀的控制在退火温度，保证工件的退火，同时能去除焊接过程中渗入焊缝中的H原子，消除了焊接件的氢脆。

在冷热加工过程中，产生残余应力，高者在屈服极限附近。构件

中的残余应力大多数表现出很大的有害作用；如降低构件的实际强

度，降低疲劳极限，造成应力腐蚀和脆性断裂。并且由于残余应力的

松弛，使零件产生翘曲，大大的影响了构件的尺寸精度。因此降低构

件的残余应力，是十分必要的。

传统的时效方法有：热时效、振动时效、自然时效、静态过载时效、热冲击时效等。后两种方法应用较少，这里不作介绍

自然时效(NSR)是将工件长时间露天放置（一般长达六个月至一

年左右），利用环境温度的季节性变化和时间效应使残余应力释放，

在温度应力形成的过载下，促使残余应力发生松弛而使尺寸精度获得稳定。由于周期太长和占地面积大，仅适应长期单一品种的批量生产和效果不理想，目前应用的较少。

热时效（TSR）是将构件由室温（或不高于150℃）缓慢、均匀加热至550℃左右，保温4~8小时，再严格控制降温速度至150℃以下出炉，达到消除残余应力的目的，可以保证加工精度和防止裂纹产生。

振动时效（VSR）又称振动消除应力法，是将工件（包括铸件、

锻件、焊接构件等）在其固有频率下进行数分钟至数十分钟的振动处理，以振动的形式给工件施加附加应力，当附加应力与残余应力叠加后，达到或超过材料的屈服极限时，工件发生微观或宏观塑性变形，

从而降低和均化工件内的残余应力，使尺寸精度获得稳定的一种方

法。这种工艺具有耗能少、时间短、效果显著等特点。近年来在国内

外都得到迅速发展和广泛应用。

振动时效艺具有耗能少、时间短、效果显著等特点。与热时效相比，它无需宠大的时效炉，可节省占地面积与昂贵的设备投资。因此，目前对长达几米至几十米和桥梁、船舶、化工器械的大型焊接件和重达几吨至几十吨的超重型铸件或加工精度要求较高的工件，较多地采用了振动时效。生产周期短。自然时效需经几个月的长期放置，热

时效亦需经数十小时的周期方能完成，而振动时效一般只需振动数十分钟即可完成。使用方便。振动设备体积小、重量轻、便于携带。

由于振动处理不受场地限制，振动装置又可携带至现场，所以这种工艺与热时效相比，使用简便，适应性较强。节约能源，降低成本。在工件共振频率下进行时效处理，耗能极少，能源消耗仅为热时效的3~5%，成本仅为热时效的8~10%。其他。振动时效操作简便，易于机械化自动化。可避免金属零件在热时效过程中产生的翘曲变形、氧化、脱碳及硬度降低等缺陷。是目前唯一能进行二次时效的方法，但

消除应力率只能达到80%。