浅谈焊接应力对机械设备产生的危害及预防措施

张振星

摘 要：机械设备在现代建筑中应用的越来越多，焊接应力对焊接产生的影响越来越大，通过对焊接应力的产生原因进行分析，找准正确的解除方法，才能够减少焊接应力和变形，提高焊接质量。基于此，本文首先对焊接应力的产生机理进行了概述，详细探讨了焊接应力对机械设备产生的危害及预防措施，旨在提高机械设备的焊接质量。

关键词：焊接应力；机械设备；危害；预防措施

焊接已成为复杂结构制造过程中的一种加工方法。焊接结构与其它加工方法相比可节省金属材料，具有很好的密封性，工序简单，生产周期短，而且可以生产一些别的工艺方法难以完成的结构。但是，由于焊接过程中产生了极不均匀温度场（包括加热和冷却时的温度梯度）导致受约束的热应变和塑性应变，从而引起了残余应力。因此，对焊接残余应力的产生机理进行分析，并制定相应的预防和处理方法，将对焊接质量提供强有力的措施保障，更好保障我国承压特种设备的运行安全。

1 焊接应力的危害

1.1 对结构刚度的影响

当外荷载产生的应力与结构中焊接应力叠加之和达到屈服点对这一区域的材料就会产生局部塑性变形，表示了进一步承受荷载的能力造成结构的有效截面积减少，结构的钢度也随之降低。

焊接结构中焊缝及其附近区域的纵向拉伸残余应力一般都可达到或接近屈服极限，如果外载产生的拉应力与残余应力相叠加超过屈服极限，则其变形就要比没有内应力或者内应力较低时大，并会发生局部屈服；当卸载时，其回弹量少于加载时的变形量，构件不能恢复到原始尺寸。经过第一次加载后内应力会下降，随后的加载载荷只要不超过第一次，应力之和也就不大于5，整个加载过程只在弹性范围内进行，卸载后不会产生新的残余变形。这种现象会降低构件的刚度，例如梁形焊接构件。结构受弯曲时内应力对刚度的影响与焊缝的位置有关，焊缝所在的部位的弯曲应力越大，其影响就越大。

1.2对静承载能力的影响

当静载拉伸载荷作用于存在残余应力的焊件上，则在外载与内应力的方向一致的区域中进行应力叠加，使应力值不断升高。当叠加应力值达到屈服值时，根据材料拉伸特性曲线，其应力出现平台不再升高，但是其变形量将继续增加，直至整個焊接界面应力均匀化后才出现应力值升高直至断裂。因此，存在残余应力的焊件并不会由于外载增加而使局部区域提前断裂。

1.3对结构脆性断裂的影响

在实际构件中，若高强度钢的韧性较低，焊接接头处的缺陷会导致结构的低应力脆性断裂，，断裂评定必须考虑拉伸残余应力与工作应力的共同作用的影响，应引入应力强度修正系数。若裂尖处于焊接残余拉应力范围内，则缺陷尖端的应力强度增大，；裂纹趋于扩展，直至裂纹尖端超出残余拉应力范围。随后，裂纹有可能停止扩展或继续扩展，这将取决于裂纹长度、应力强度和结构运行环境温度。焊接应力只分布于局部区域，对裂纹的影响也局限于这一范围。

1.4对应力腐蚀的影响

在应力和腐蚀的共同作用下会形成应力腐蚀，促使裂纹的形成、发展直至快速扩展造成断裂。一些焊接构件工作在有腐蚀介质的环境中，除外载的工作应力外，焊接残余应力本身也引起应力腐蚀开裂。这是在拉应力与化学共同作用下发生的，残余应力与工作应力叠加后的拉应力值越高，应力腐蚀开裂所需的时间就越短。选择对待定的环境和工作介质有良好抗腐蚀性的材料，以及对焊接构件进行消应力处理，都可以提高构件的抗应力腐蚀能力。

1.5对构件精度和尺寸稳定性的影响

为保证构件的设计技术条件和装配精度，某些焊接构件在焊后要进行机械加工。一部分材料从焊件上被切除时，此处的内应力也随之释放，使构件中原有的残余应力场失去平衡而重新分布，引起构件变形。这类变形往往是在机械加工后松开夹具后才充分显示出来，影响构件精度。

此外，焊接构件中的残余应力随时间的延长会缓慢变化而重新分布，发生应力松弛，同时焊件尺寸也产生相应的变化，影响到构件的精度和尺寸稳定性。不同的材料会引起不一样的残余应力松弛，对结构的精度和尺寸稳定性影响也不一样。

控制焊接应力的主要措施包括加热减应区、预热方法焊接、锤击焊缝、降低焊缝的拘束度等方法。

2 降低和消除焊接应力的对策

2.1设计方面

关键对焊缝进行正确布置，降低应力叠加，从而大大降低应力峰值。

（1）避免将焊缝设置在断面剧烈过渡的区域。例如折边封头过渡区圆角半径很小、非等厚连接处等断面剧烈过渡区，都不适合进行焊缝设置。断面剧烈过渡区存在应力集中现象，断面厚薄（粗细）悬殊会造成刚性差异和受热差异悬殊，增大焊接应力，故应避免。当不可避免时，可将厚件削薄实现等厚连接

（2）在布置焊缝时尽可能分散，避免产生交叉。一般来说，筒体纵缝的间距要求大于100 mm。尽量避免使用交叉焊缝，以免三向应力的产生。但并非完全不能采取交叉焊缝，在大型容器的制备过程中时，为采用自动化程度较高的工艺装备，提高生产率，对那些塑性较好的材料（低碳钢、16Mn钢等）也可采用十字交叉焊缝结构。如对大型球形容器我国规定了两种并行的焊缝拼接法。

（3）对结构设计进行改进，降低焊件局部刚性，从而降低焊接应力。对于一些厚度大、刚性大的工件，为防裂可开圆槽。

2.2工艺方面

（1）在焊前进行预热。通过预热降低焊接时温度差异，减缓冷却速度，从而降低热应力。小件焊件可进行整体预热；对于尺寸较大的焊件，只能采用局部预热，预热部位应在焊缝区以外。

（2）对焊接顺序进行合理安排。焊接顺序安排的基本原则是：在刚性较小的情况下进行大多数焊缝的施焊，以便焊件的自由收缩，从而降低焊接的应力；对于收缩量最大的焊缝，应该现行焊接，如结构中既有对接焊缝，又有角焊缝，应先焊对接焊缝，后焊角接焊缝。

（3）对焊缝进行锤击。在焊缝金属的冷却过程中，利用圆头小锤对焊缝进行轻轻的敲击，拓展焊缝，可有效减少焊接应力。

2.3焊后处理

（1）机械拉伸的方法。加载完成焊接的结构，加强结构内部应力，使之接近屈服强度，最后进行卸载，以达到部分消除焊接应力的目的。如容器制造中的水压试验。

（2）焊后热处理的方法。焊后热处理是最常用的消除焊接应力方的法，此方法是利用在高温下材料屈服极限的减少，在应力高的地方发生塑性流动，从而达到消除焊接应力的目的。一般采用消除应力退火。其规范视材料、板厚及预热情况而异。焊后热处理对消除焊接应力虽有较好的效果，但应注意对某些合金钢，尤其是板厚较大时，易产生再热裂纹。

3 结束语

综上所述，焊接残余应力是焊接结构发生脆断的重要原因，焊接部位材料的有效比例极限会随着焊接残余应力的增大而大幅度降低，受压构件的刚度、焊接结构的耐腐蚀能力、抗疲劳能力都会随之而降低，值得进步重点关注和研究。

参考文献：

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