焊接应力是个啥？6种方法轻松去除！焊接铜轮

由于焊接时局部不均匀热输入，导致构件内部温度场、应力场以及显微组织状态发生快速变化，容易产生不均匀弹塑性形变，因此采用焊接工艺加工的工件较其他加工方式而言受到残余应力作用的影响较为突出。

焊接应力的种类

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存在于焊接结构中的应力，

按其产生的原因和性质大致可分为

热应力：

焊接过程中不均匀加热和冷却而引起的应力。焊接电缆它是在焊接过程中变化的瞬时应力。

相变应力：

焊接过程中由于接头区产生不均匀的组织转变而引起的应力，多在碳当量较高或工艺不当时产生。

拘束应力：

焊接过程中由于结构本身或外加拘束作用而引起的应力。

氢致应力：

焊接以后焊接接头区由于扩散氢聚集在显微缺陷处而引起的局部应力。含氢量多时易产生。

焊接残余应力

焊接以后存在于结构内的应力，有时也叫焊接残余应力，因为它在结构内任一截面上是自相平衡的内应力。

各种焊接应力的大小和分布与焊接材料、钢材的特性（如强度和膨胀系数）、焊接工艺方法、热输入、工艺参数、焊接装配顺序及操作方法有关，焊接铜轮结构本身或外加拘束度、焊接环境条件等也对其有影响。它们往往综合、叠加出现。焊接应力的危害

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造成焊接裂纹

在温度、组织及结构刚性拘束度的相互作用下，焊接应力达到一定值时，将成为各种热裂纹、冷裂纹等产生的主要原因，影响结构质量，造成潜在的危险，导致返修或使焊件报废。

降低结构的承载能力

（1）焊件残余应力与工作应力叠加，增加了构件承受的应力水平，实际上降低了结构的承载能力或降低了结构的强度安全裕量。

（2）当应力水平超过材料的屈服极限时，将造成接头区的拉伸塑性变形，消耗材料的一部分塑性。

（3）在厚壁结构的焊接区，立体交叉焊缝或焊缝中存在的缺陷，都有可能造成三向拉伸应力，降低材料塑性变形的能力，可能成为低应力脆断的起源点。

（4）在低周疲劳载荷下，较高的拉伸残余应力会使长期使用的结构产生一定程度的变形。

造成应力腐蚀

拉伸残余应力的存在，使工件在腐蚀介质中的结构产生应力腐蚀开裂，引起应力腐蚀和低应力脆断。

影响结构尺寸的稳定性

特别是在焊后要加工的结构，加工后会破坏内应力的平衡，引起结构变形或加工尺寸不稳定。

影响焊接应力的因素

03

结构形式的影响

（1）平板对接。纵向和横向焊接残余应力的分布见图1所示。

（2）压力容器筒体环缝。纵向焊接残余应力大小和分布与筒体直径、筒体壁厚及压缩塑性变形区的宽度有关（见图2所示），且随圆筒直径的增加而增加，随塑性变形区的扩大而降低。

图1  平板对接接头残余应力的分布图2  圆筒环缝纵向焊接残余应力的分布

刚性拘束的影响

（1）平板对接。两块钢板焊前在横向加以刚性拘束，焊后对纵向应力无大影响，两横向侧为单一的拉伸应力（见图3所示）。板窄拘束应力大，板宽则拘束应力减小。对于长焊缝先焊端的应力较小。撤除外加拘束后，拘束应力消除，残余应力将重新分布。

（2）镶块接管的封闭焊缝。在板壳结构中有管座或镶块，刚性拘束大。刚性越大，内应力也越大。镶块中（见图4所示）纵向应力（即切向应力σt）在焊缝附近为拉应力，最高可达σs；横向应力（即径向应力σr）在焊缝附近也为拉应力。在镶块心部σt=σr，是一个双向应力场。镶块直径越小，双向应力值也越高。接管焊缝的应力与接头形式有关，外座式应力较小；内插式刚度大，应力也大。图3  刚性拘束对焊接应力的影响图4  圆盘镶块封闭焊缝中的焊接应力

板厚及坡口形式的影响

随着板厚的不同，残余应力的分布也不同，而且在垂直于焊缝轴向上的横向应力σy也不能忽视。图5是2.25Cr-1Mo超厚板多层埋弧焊残余应力的实测值。值得注意的是在表层附近残余应力达到峰值，这种双向或三向应力是这种钢焊缝中产生横向裂纹的一个重要原因。若将V形坡口改为双V形坡口，则在双V形坡口根部产生压应力，有利于避免焊接裂纹，见图6所示。

图5  超厚板多层焊焊缝的残余应力

图6  双V形坡口对称焊时的残余应力分布

焊接工艺参数的影响

随焊接热输入的增加，加热宽度和残余应力增大，拉伸残余应力宽度也增大。

焊接方向影响

横向残余应力是由焊缝及其附近塑性变形区的纵向和横向收缩不同时进行所引的应力合成。其大小和分布与板长及焊接方向有关。由中央向两端焊时，中央为压应力；由两端向中央焊时，两端为压应力，见图7所示。

图7  焊接方向对横向残余应力分布的影响

相变的影响

焊接碳当量较高的高强钢时，HAZ和焊缝组织将发生由奥氏体向马氏体的转变，使比容增大。在这种转变温度下，材料已恢复弹性，所以出现相变应力。它与不均匀的塑性变形引起的焊接应力叠加，在相变区可能为压应力，而体积（三向）膨胀也可能在某些部位引起相当大的横向拉伸相变应力，滚焊轮这是产生冷裂纹的主要因素之一。

防止和减少焊接应力的方法

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采用合理的焊接顺序和方向

基本原则是：焊接平面上的焊缝时，应使纵、横向收缩都比较自由。结构中收缩量最大的焊缝应先焊，如先焊对接焊缝后焊