前言

焊接工藝主要應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)件，如船舶、車輛箱體、橋梁、鋼結(jié)構(gòu)、容器、管道、反應(yīng)釜等等，動載機器結(jié)構(gòu)件應(yīng)用較少（如汽車零配件采用摩擦焊較多）。在對鋼結(jié)構(gòu)進行焊接時，加熱和冷卻的過程會使焊件內(nèi)部有溫度差異，由此引起變形不一致就會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這類應(yīng)力被稱為焊接殘余應(yīng)力。

焊接殘余應(yīng)力是焊件產(chǎn)生變形、開裂等工藝缺陷的主要原因，焊接變形在制造過程中危及形狀與尺寸公差、接頭安裝偏差和增加坡口間隙，使制造過程更加困難；焊接殘余應(yīng)力可使焊縫特別是定位焊縫部分或斷開；機械加工過程中釋放的殘余應(yīng)力也會導(dǎo)致工件產(chǎn)生不允許的變形。

同時，焊接殘余力可能引起結(jié)構(gòu)的脆性斷裂，拉伸殘余應(yīng)力會降低疲勞強度和腐蝕抗力，壓縮殘余應(yīng)力會減小穩(wěn)定性極限。因此，焊接殘余應(yīng)力一直是焊接界關(guān)注的重點問題之一。

如何控制焊接殘余應(yīng)力？

焊接應(yīng)力是不可避免的，焊接操作結(jié)束后，一方面使構(gòu)件產(chǎn)生焊接變形釋放一部分焊接應(yīng)力，另外則以殘余應(yīng)力形式存在，但是所有焊接構(gòu)件，一般而言均存在殘余應(yīng)力和變形。我們可以通過一些方法，來控制焊接殘余應(yīng)力。

設(shè)計措施（1）在保證焊件結(jié)構(gòu)強度的前提下，可適量采用沖壓結(jié)構(gòu)，以減少焊接結(jié)構(gòu)，盡量減少焊縫的數(shù)量化和截面尺寸。同時，焊縫不要過于集中，以防局部區(qū)域的熱量輸入過大。

（2）焊縫盡量布置在最大工作應(yīng)力區(qū)以外，防止焊接殘余應(yīng)力與外部載荷產(chǎn)生應(yīng)力疊加，影響構(gòu)件測承載能力，并盡量防止焊縫過于集中、交叉、保持較好的焊接操作性。

（3）采用降低局部剛度的方法和合理的接頭方式，使焊縫能較自由的收縮，減少焊接接頭產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（4）采取熱輸入較小和能量密度集中的焊接方法來減小焊接殘余應(yīng)力，如氬弧焊與離子弧焊等。

工藝措施（1）在焊接過程中，要先焊錯開的短焊縫、收縮量較大的焊縫和受力較大的焊縫。同時，根據(jù)不同的焊件機構(gòu)采取相應(yīng)的焊接順序，這樣才能使焊縫有較大的收縮自由，保證焊縫中的殘余應(yīng)力盡可能減少，并保證焊件的焊接殘余應(yīng)力的分布要合理。

（2）在焊接拘束度較大的焊縫時，要注意降低焊縫的拘束度。例如，可采用反變形法來降低焊件的局部剛度，減少了焊縫的拘束應(yīng)力。

（3）采用合理的工藝參數(shù)及合適的加工方法。如先用小直徑焊絲，采用較小的焊接電流及提高焊接速度等方法來控制焊接熱輸入，也可采用預(yù)熱、加熱減應(yīng)區(qū)及捶擊等方法，來減少焊縫的焊接殘余應(yīng)力。

如何控制焊接殘余應(yīng)力？焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生過程非常復(fù)雜且弊大于利，因此采取有效的措施來減小焊接殘余應(yīng)力是非常有必要的。目前，常用的消除焊接殘余應(yīng)力的方法有熱處理、激光處理法、加載法、爆炸處理法、熱處理法、錘擊處理法、振動處理法、深冷處理法、超聲波處理法等。焊后熱處理(簡稱PWHT)

焊后熱處理是焊后消除焊接殘余應(yīng)力的主要方法。焊后熱處理是指將焊接件整體或局部加熱到A1相點以下的適當(dāng)溫度并保溫一段時間，然后再緩慢冷卻，以達到消除焊接殘余應(yīng)力的目的。除了部分超高強度鋼及部分特殊要求的部件焊后采用調(diào)質(zhì)處理，奧氏體不銹鋼采用固溶處理外，大部分結(jié)構(gòu)鋼的焊后熱處理是指退火處理。

優(yōu)點（1）、降低熱影響區(qū)的硬度。焊后熱處理溫度越高。熱影響區(qū)的軟化效果越好，但溫度太高會使強度降低，所以熱處理加熱溫度和保溫溫度要控制恰當(dāng)。（2）、釋放焊接位置中的氫。及時恰當(dāng)?shù)剡M行焊后熱處理，實質(zhì)上是脫氫處理，可以防止出現(xiàn)氫致裂紋。（3）、提高抗腐蝕能力。焊接件腐蝕的原因是由于拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)。這兩個只要缺少個就不會使焊接件產(chǎn)生腐蝕裂紋。（4）、影響焊接件的強度。焊后熱處理可以消除焊接殘余應(yīng)力、降低硬度和含氫量，使焊接件的脆性斷裂強度、變強度及抗腐蝕開裂能力都有所提高。

缺點（1）、改善疲勞性能不明顯。影響疲勞強度的主要原因是應(yīng)力集中，造成應(yīng)力集中的原因有表面粗糙、未焊透、焊別裂紋不、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計等。因此，一般情況下焊后熱處理不會改善焊接件的疲勞性能。（2）、影響焊接件的再熱脆化。由于焊接件會有碳化物形成元索的沉淀析出或雜質(zhì)元素的偏聚，再熱脆化好發(fā)生在后熱處種理的溫度范圍，所以一定要注意焊后熱處理帶來的再熱脆化問題。（3）、影響焊接件的再熱裂紋。再熱裂紋通常在 600℃左右最為顯著，正好在焊后熱處理的溫度范圍。因此，焊后熱處理加熱溫度的選擇既要避免產(chǎn)生再熱裂紋又要較好地消除焊接件的殘余應(yīng)力。（4）、影響焊接件缺口的韌性。焊后熱處理可使低、中強度結(jié)構(gòu)鋼焊接件的焊接接頭的淬硬組織退火并軟化，消除焊接殘余應(yīng)力，減少脆性，提高塑性和韌性。但是，對于調(diào)質(zhì)高強度鋼，如果焊后熱處理加熱溫度超過原調(diào)質(zhì)回火溫度時，會失去調(diào)質(zhì)效果，使強度和韌性下降。（5）、成本較高，操作不方便，較難控制消除殘余應(yīng)力的效果。

爆炸處理

爆炸處理是以爆炸方式消除焊接殘余應(yīng)力的新技術(shù)，近年來國內(nèi)外應(yīng)用較多。通過覆蓋在焊縫及其附近焊接區(qū)表面的特種爆轟造成的沖擊波和殘余應(yīng)力的交互作用，使焊接件產(chǎn)生適量的塑性變形，從而消除焊接件的殘余應(yīng)力。研究證明，爆炸處理不僅可以消除焊接區(qū)的殘余拉應(yīng)力，還可以根據(jù)需要造成一定的殘余壓應(yīng)力。

優(yōu)點①不受焊接件的尺寸限制，方便靈活，消除殘余應(yīng)力的效果明顯。②提高了焊接件的尺寸穩(wěn)定性。③明顯提高了焊接結(jié)構(gòu)抗應(yīng)力腐蝕能力。④提高了焊接件的疲勞強度。⑤提高焊接件的抗脆斷能力。⑥降低焊接件的殘存缺陷的危險性。⑦爆炸過程中沒有熱脆現(xiàn)象。⑧適用于特殊青況下的處理，例如∶退火無法解決的異種鋼、不銹鋼、梁等長細結(jié)構(gòu)的焊后消除殘余應(yīng)力的處理。

缺點爆炸處理采用的有一定的危險性，一定要妥善保管。爆炸處理如果藥量不當(dāng)或者布置不合理就可能造成焊接件的宏觀變形、炸傷、消除焊接殘余應(yīng)力不明顯等不良后果。

激光處理（簡稱 LSP）

激光處理是利用強脈沖激光產(chǎn)生的應(yīng)力波在焊接件焊接區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，在微觀上表現(xiàn)為高密度位錯與欒晶，在宏觀上表現(xiàn)為顯微硬度的提高并獲得殘余壓應(yīng)力的一項新技術(shù)。

優(yōu)點激光處理與傳統(tǒng)處理方法比較，有不損壞試樣表面、高效、靈活、無污染、非熱、非接觸性等特點，可快速高效地對需要強化而難以用其它技術(shù)進行強化的局部區(qū)域進行處理。激光處理能夠抑制處理區(qū)域疲勞裂紋的萌生和擴展，降低裂紋擴展速率，提高疲勞壽命。

缺點如果激光處理不能全部覆蓋焊接區(qū)域，就會造成改善疲勞性能不明顯或不均勻的現(xiàn)象。由于這個原因，我們國內(nèi)也在不斷地研制和開發(fā)新的激光處理設(shè)備。 

超聲波處理（簡稱 UIT）

超聲波處理是利用超聲波沖擊焊接件焊接區(qū)域以達到消除焊接殘余應(yīng)力，改善焊接件性能的一種技術(shù)。

優(yōu)點超聲波處理相對傳統(tǒng)方法有投資少、處理時間短、效率高、方便、節(jié)約能源、無污染等特點。超聲波處理消除薄壁件的焊接殘余應(yīng)力的效果非常理想，不僅能夠降低殘余應(yīng)力，而且還會減少焊接位置應(yīng)力集中、提高焊接處疲勞強度、抑制焊接裂紋，減小變形、穩(wěn)定構(gòu)件尺寸。

缺點超聲波處理只能對一定深度的表層金屬產(chǎn)生作用，消除厚板零件的焊接殘余應(yīng)力的效果不明顯，尤其在板厚方向距離表層越遠消除殘余應(yīng)力的效果越弱。 

錘擊處理

錘擊處理是指用特制錘頭輕擊焊縫及焊接區(qū)域或用高速粒子直接沖擊焊接區(qū)域表面的一種技術(shù)。

優(yōu)點錘擊處理有投資少、節(jié)約能源、無污染、方便等特點。錘擊處理不僅可以消除焊接殘余應(yīng)力，而且可以在錘擊表面誘導(dǎo)出殘余壓應(yīng)力。錘擊處理可以有效地提高焊接件抗疲勞能力。

缺點錘擊處理可能誘發(fā)小裂紋和應(yīng)變時效脆化以及降低材料的抗腐蝕能力等。 

深冷處理

深冷處理是指將焊接件淬火后放在-190℃至-230℃的液態(tài)氮或液態(tài)氮蒸汽的環(huán)境中進行處理，以消除焊接殘余應(yīng)力的一種技術(shù)。

優(yōu)點利用液氮汽化吸熱以及低溫氮氣吸熱制冷，控制溫度精度準(zhǔn)確，降溫過程緩慢、均勻，大大減少了低溫對工件的沖擊，避免焊接件開裂的風(fēng)險。

①提高焊接件的強度和硬度。②保證焊接件的尺寸穩(wěn)定。③提高焊接件的耐磨性。④提高焊接件的沖擊韌性。⑤提高焊接件的抗疲勞強度。⑥提高焊接件的耐腐蝕能力。⑦提高生產(chǎn)力。⑧使應(yīng)力分布均勻。⑨無污染、成本較低、對焊接件沒有破壞性。

缺點深冷處理的最終效果不僅取決于深冷處理工藝，而且還與深冷處理前的熱處理工藝以及和熱處理工藝相關(guān)的工藝順序息息相關(guān)，所以深冷處理的穩(wěn)定性較差。深冷處理只能對小型零件進行處理，例如∶刀具、模具、齒輪等。 

振動處理（簡稱 VSR）

振動處理是指直接將震動設(shè)備夾固在大型焊接件上、將小型焊接件固定在振動臺上進行振動，以消除焊接殘余應(yīng)力的一種方法。

優(yōu)點振動處理投資少，見效快，節(jié)約能源，操作方便，利于現(xiàn)場施工，大幅度地縮減生產(chǎn)周期，具有使焊接件應(yīng)力均勻分布、保持焊接件尺寸穩(wěn)定、延緩變形時間等特點。

 缺點振動處理消除焊接殘余應(yīng)力的效果受焊接件的尺寸、材料及振動處理工藝的影響比較大。 

逆焊接溫差處理（簡稱 AWHT）

逆焊接溫差處理是利用與焊接加熱過程相反的方法，采用冷卻介質(zhì)使焊接區(qū)域獲得比周邊母材低的負溫差，在冷卻過程中焊接區(qū)域周邊母材拉伸而產(chǎn)生伸長塑性變形，從而抵消焊接時產(chǎn)生的壓縮塑性變形，達到消除焊接殘余應(yīng)力的目的。

優(yōu)點如果溫差足夠大，就可以在被處理的焊接件表面產(chǎn)生雙向的壓縮應(yīng)力層，防止應(yīng)力腐蝕。

缺點逆焊接溫差處理成本較高，操作比較困難。

結(jié)論

通過對幾種消除殘余應(yīng)力的方法進行比較，我們可以從經(jīng)濟性、可行性、方便性、效率等諸方面考慮消除殘余應(yīng)力的方法，延長焊接件的使用壽命，避免或減輕不良事故發(fā)生造成的經(jīng)濟損失，甚至挽救生命，爭取得到較大的經(jīng)濟效益和社會效益。