焊接残余应力的控制和消除

1、焊接剩余应力的控制和消除焊接剩余应力的控制和消除一、控制焊接剩余应力的方法焊接剩余应力可以从设计和工艺两方面控 制。（一）设计方面应该在保证结构件有足够强度的前提下，尽量减少结构的刚性，采用全 焊透的对接接头，有不等厚的要削薄圆滑过渡，减少焊接接头的数量、长度 和尺寸，优先选用焊接性能好、韧性高的母材和焊材。焊接接头尽量对称于 结构件截面的中心轴布置，防止密集和交叉布置。如GB150中规定筒节长度 应不小于300mm,相邻筒节A类接头焊缝中间外圆弧长应大于板厚的3倍且 不小于100mm;重要的T形结构采用根部焊透或深熔透结构;不在焊接接头上 开孔;采用焊接接头系数（焊接接头系数指对接焊接的接头

2、强度与母材强度的 比值）为1的焊接接头，对接焊接接头要求100%射线检测;控制焊缝咬边深 度和长度等;角焊缝凹形圆滑过渡;选择合理的焊接接头形式，将焊接接头布 置在结构件最大应力区之外。（二）工艺方面.焊前预热焊前预热可使焊接接头的金属温差减少，减缓焊后冷却速度，从而降低 焊接应力。预热分整体预热法和局部预热法（包括加热减应区法）。局部预热法指 焊接前，在结构件适当部位进行加热，如图5-8所示，使此部位伸长，在焊 后冷却时，加热区和焊接接头的收缩方向相同，从而降低内应力。.选择合理的组焊顺序和方向施焊前，应考虑焊缝尽可能自由收缩，以 减小结构的拘束度。厚板焊接时，可采用多层多道焊。焊接长焊缝或

3、大型结 构件时，焊接顺序应从中间向两端或四周顺序进行焊接。如锅炉管板与管 束、冷凝器和换热器的管板焊接宜采用放射交叉式的焊接顺序，如图5-9b所 示。对于多焊接接头，焊缝收缩量不同时，应先焊收缩量大的焊接接头，如 图5-9c所示。在结构上同时存在对接接头和角接接头时，就先焊对接接头， 如盖板对接的工字梁，因为盖板对接焊缝的横向收缩量大，必须先焊，然后 再焊接主角焊缝，图5T0所示。装配焊接复杂多样的结构，应根据结构件的 不同特点，分成几个简单部件，分别装配焊接后再总装焊接。结构上对称的 焊缝，应对称施焊，使其变形能相互抵消一局部。焊缝布置不对称的结构， 如焊缝分布在中性轴一侧，那么可先焊靠近中

4、性轴的焊缝，然后焊接远离中性 轴的焊缝。一般应遵循先焊对接焊缝，再焊角接焊缝;先焊短焊缝再焊长焊缝; 先焊纵焊缝，再焊环焊缝;先焊间隙小的焊缝，再焊间隙大的焊缝;先焊变形 小的焊缝，再焊变形大的焊缝等原那么。.选择合理的焊接参数在保证焊接质量的前提下，尽量选用较小的焊接电流和较快的焊接速 度，减小焊接热输入，以减少工件的受热范围。对于厚板多道焊焊缝，选择 小的焊接参数进行多层多道焊，并控制道间和层间温度，能有效减小焊接残 余应力。.预制反变形法预制反变形法指通过预先留出焊缝能够自由收缩的余量，使焊缝能够在 一定程度上收缩，从而降低焊接剩余应力。在焊接封闭环焊缝或其他刚性较 大、自由度较小的焊缝

5、时，可采取反变形措施，可以有效地控制焊接剩余应 力，如图5-11所示。.锤击焊缝每焊完一道焊缝，在焊缝冷却的同时用圆头小锤均匀地锤击焊缝使之延展，可以减小焊接剩余应力。锤子重量为0.5kg 左右，锤端带有RIOmm左右的圆角，锤击时焊缝的温度应在300以上或 100150左右的范围内，不宜在200300 （蓝脆温度）温度区间进行。多 层焊时，第一层和最后一层不宜锤击以免影响质量，其余每层都要锤击。锤 击时力度应保持均匀、适度。第一层不宜锤击是为了防止引起根部裂纹，最 后一层不宜锤击是为了防止冷加工效应可能引起缺口冲击韧度的降低及影响 外表质量。.减小氢的存在为了减小氢致应力集中，尽可能选择低氢

6、型碱性焊接材料，焊接材料应 严格按要求烘焙后使用，并且对焊接区域及其附近采取预热、打磨等措施， 去除水分、油污、铁锈等有害物质。有必要时焊后对接头进行消氢处理，方 法是加热到300350,保温2h,这样有利于扩散氢的逸出。二、消除焊接剩余应力的方法焊接剩余应力存在于焊接结构中，会导致焊接结构的承载能力下降。如 使焊接结构的抗疲劳、抗脆断、抗应力腐蚀能力的降低，尺寸稳定性下降， 增大受压杆件、梁的失稳性等。一般焊接剩余应力的影响只有在一定的条件 下才表现出来，如低温、疲劳载荷、存在焊接缺陷、尺寸精度要求较高等工 况。事实证明，许多结构未进行消除焊接剩余应力处理，也能平安运行。焊 接结构是否应消除

7、焊接剩余应力，要根据结构的用途、所选用材料的性能等 方面综合考虑。焊接剩余应力形成的根源是近缝区在焊接过程中产生的压缩 塑性变形。因此消除剩余应力的实质就是使焊接区产生适量的塑性伸长。按 其性质，消除焊接剩余应力的方法可分为热处理法和机械法。热处理法有整 体和局部消除应力热处理，机械法分为过载拉伸、振动等。（一）焊后热处理消除焊接剩余应力焊后热处理也叫高温回火处理，是目前最常用的焊后热处理方法。就是 将工件整体或局部加热到一定温度，保温一定时间，其间，工件金属不会发 生相变，但屈服强度降低，在剩余应力的作用下产生一定的塑性变形，到达 消除焊接剩余应力的目的，然后缓慢冷却。局部钢材的消除应力热处

8、理温度 及保温时间见表5-4。工件进出炉的温度应在400以下，当加热到400以 上，升温速度不得超过5500/6wur/h,且不得超过220C/h, 一，般情况不低 于55/h。再缓慢降温，在400C以上，降温速度不得超过 7000/8pwur/h,且不得超过280/h, 般情况不低于55/h。到400 以下，可以出炉空冷，也可以随炉冷却。经过整体焊后热处理，工件上剩余 应力将有85%左右被消除。当某些焊接结构件尺寸过大或不允许整体应力热处理时，如大型号厚壁 容器、球罐等，可以选择分两次热处理或局部消除焊接剩余应力热处理。分 两次热处理.时，重叠加热局部就在1500mm以上。局部消除焊接剩余应

9、力热处 理可以降低焊接结构件剩余应力的峰值，使应力分布趋于平缓，改善焊接接 头的力学性能。局部热处理只适用于比拟简单的工件，加热前应在外壁包裹 绝热层，以降低温差和冷却速度，热处理加热宽度应大于焊缝每侧板厚的两 倍。加热方法可选用电阻丝、远红外线、火焰、工频感应等。目前较常用的 是远红外线加热方式。（二）过载拉伸消除焊接剩余应力焊后对工件进行整体拉伸，能使焊接接头在拉力作用下产生一定塑性变 形，与压缩剩余变形相互抵消，以到达减小剩余应力的目的。但整体拉伸程 度要严格控制，以防止破坏工件的材料力学性能。锅炉压力容器耐压试验的 压力一般大于工作压力，在进行耐压试验的同时也对工件进行了一次整体过 载拉伸消除焊接剩余应力。（三）机械振动消除焊接剩余应力机械振动消除剩余应力是用激振器使结构产生一个或多个共振或亚共 振，使焊接剩余应力得以释放，从而降低焊接剩余应力或使应力重新分布。 机械振动消除焊接剩余应力的优点是设备简单、时间短、费用低、节能，目 前在工件、铸件、锻件中应用较多，能有效提高工件的尺寸稳定，消除剩余 应力25%60吼 但振动处理过程中，可能会产生裂纹或引起裂