焊接应力消除，原理、方法与应用

焊接作为一种广泛应用于制造业、建筑业等众多领域的连接技术，在将金属材料牢固结合的同时，也不可避免地产生了焊接应力，焊接应力的存在对焊接结构的性能、可靠性和使用寿命有着显著的影响，如果不加以妥善处理，可能导致结构变形、裂纹萌生与扩展，甚至引发灾难性的破坏事故，深入研究焊接应力消除的原理、方法及其在实际工程中的应用,对于保障焊接结构的质量和安全具有至关重要的意义。

焊接应力的产生与危害

焊接应力的产生

焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，在焊接时，焊缝及其附近区域被迅速加热到很高的温度，金属发生膨胀，周围温度较低的区域会对其膨胀产生约束，导致焊缝及附近区域产生压应力，随后在冷却阶段，焊缝金属要收缩回到原来的尺寸，但周围已冷却的金属又限制了它的收缩，从而在焊缝及附近区域产生拉应力，这种由于焊接热过程引起的应力称为焊接热应力，由于焊接过程中金属的组织转变，不同组织的比容不同，也会产生组织应力,这两者共同构成了焊接应力。

焊接应力的危害

焊接应力的危害主要体现在以下几个方面，首先是对结构变形的影响，焊接应力会使焊接结构产生局部或整体的变形，如角变形、弯曲变形、波浪变形等，这不仅会影响结构的外形尺寸精度，使其难以满足设计要求，还可能在后续的装配过程中带来困难，增加装配成本和时间，焊接应力是导致裂纹产生的重要因素之一，在焊接应力和其他因素（如材料中的缺陷、环境介质等）的共同作用下，焊缝及热影响区可能会产生裂纹，裂纹一旦产生，在使用过程中会在应力作用下逐渐扩展，最终可能导致结构的突然断裂，引发严重的安全事故，焊接应力还会降低结构的疲劳强度，在交变载荷作用下，焊接应力会与工作应力叠加，使局部应力水平升高，加速疲劳裂纹的萌生和扩展,从而缩短结构的疲劳寿命。

焊接应力消除的原理

焊接应力消除的基本原理是通过各种方法使焊接结构中的残余应力得到释放或重新分布，降低其峰值应力水平，以改善结构的性能，从力学角度来看，就是要设法使焊接应力引起的弹性变形能得以释放，通过加热使金属材料的屈服强度降低，在较小的外力作用下就能产生塑性变形，从而使应力得到松弛；或者通过机械作用，如锤击、碾压等，使焊接接头产生塑性变形，改变应力的分布状态，从物理角度来说，一些方法可以改变金属内部的微观组织结构,消除由于组织转变引起的应力。

焊接应力消除的方法

热处理法

热处理法是目前应用最广泛的焊接应力消除方法之一,它主要包括整体热处理和局部热处理。

• 整体热处理：将焊接结构整体加热到一定温度（通常为550 - 650℃，具体温度根据材料而定），并保持一定时间，然后缓慢冷却，在加热过程中，金属的屈服强度降低，焊接应力得以松弛，通过热扩散使应力重新分布，整体热处理可以有效地消除大部分焊接残余应力，一般能达到80% - 90%的消除率，但该方法需要大型的加热设备，成本较高,且对于一些大型结构或不方便整体加热的结构不太适用。
• 局部热处理：对于一些大型结构或只需要消除局部应力的情况，可以采用局部热处理，常用的方法有电阻加热、火焰加热等，局部热处理可以在一定程度上降低局部的焊接应力，但由于热影响区域有限，应力消除效果相对整体热处理要差一些，一般能消除30% - 50%的应力。

机械法

机械法主要通过外力使焊接接头产生塑性变形来消除应力。

• 锤击法：在焊接过程中或焊接后，用锤子或其他锤击工具对焊缝及附近区域进行锤击，锤击可以使焊缝金属产生塑性延伸变形，抵消一部分焊接引起的压缩塑性变形，从而降低焊接应力，锤击时要注意控制锤击的力度和频率，避免造成表面损伤，锤击法操作简单、成本低，适用于一些小型结构或现场施工，但对于较厚的焊缝或高强度材料,效果可能有限。
• 碾压法：利用碾压设备对焊缝及附近区域进行碾压，碾压可以使焊缝表面产生塑性变形，改善焊缝的表面质量，同时也能有效地降低焊接应力，碾压法常用于薄板焊接结构，如汽车车身的焊接制造等,能提高结构的疲劳性能。

振动时效法

振动时效法是一种利用共振原理消除焊接应力的方法，通过给焊接结构施加一个与结构固有频率相近的周期性动应力，使结构产生共振，在共振过程中，结构内部的残余应力与动应力相互叠加，当应力达到一定水平时，使金属产生微观塑性变形，从而使应力得到释放和重新分布，振动时效法具有设备简单、操作方便、能耗低等优点，一般能消除30% - 50%的焊接残余应力，适用于各种金属材料和焊接结构，尤其是对于一些大型、复杂的结构,具有较好的应用前景。

温差拉伸法

温差拉伸法是在焊缝两侧用火焰加热，使这部分金属受热膨胀，对焊缝区产生拉伸作用，从而抵消一部分焊接残余应力，在焊缝区用水冷却，形成温差，这种方法可以在一定程度上降低焊接应力，适用于一些大型容器、管道等焊接结构的应力消除。

焊接应力消除在实际工程中的应用

在制造业中的应用

在汽车制造行业，焊接是车身制造的关键工艺之一，车身的焊接结构复杂，焊接应力的存在会影响车身的尺寸精度和疲劳寿命，通过采用振动时效法或碾压法等应力消除方法，可以有效地降低焊接应力，提高车身的质量和可靠性，汽车的底盘大梁等重要焊接部件，经过应力消除处理后，能更好地承受行驶过程中的各种载荷，减少裂纹的产生，延长使用寿命。 在航空航天领域，焊接结构的可靠性至关重要，由于航空航天部件对重量和性能要求极高，焊接应力的消除尤为关键，通常会采用整体热处理等方法对焊接结构进行应力消除，以确保部件在复杂的飞行环境下能够安全可靠地运行，飞机发动机的一些焊接部件，经过严格的应力消除处理后，能承受高温、高压和高转速等恶劣工况。

在建筑业中的应用

在大型钢结构建筑中，如桥梁、高层建筑等，焊接应力的消除对于结构的稳定性和安全性具有重要意义，对于桥梁的焊接结构，在施工过程中会采用多种应力消除方法，在一些大型桥梁的钢梁焊接后，会进行整体热处理或局部加热处理，以消除焊接应力，提高桥梁的承载能力和耐久性，在高层建筑的钢结构焊接中，也会根据结构的特点和要求，选择合适的应力消除方法,确保钢结构在长期使用过程中不会因焊接应力而产生变形或裂纹。

在压力容器制造中的应用

压力容器在工作时要承受一定的压力，焊接应力的存在会增加容器发生泄漏或爆炸等事故的风险，压力容器制造过程中对焊接应力消除有着严格的要求，通常会采用整体热处理的方法对压力容器进行应力消除，以确保容器的安全性，石油化工行业中的储罐、反应釜等压力容器，在焊接完成后必须经过严格的应力消除处理，并进行无损检测等质量检验,合格后才能投入使用。

焊接应力消除是焊接工程中不可或缺的重要环节，焊接应力的存在对焊接结构的性能和安全有着诸多不利影响，而通过合理选择和应用焊接应力消除方法，可以有效地降低焊接应力，提高结构的可靠性、耐久性和使用寿命，不同的应力消除方法各有优缺点，在实际工程中，需要根据焊接结构的材料、尺寸、形状、使用要求等因素综合考虑，选择最合适的应力消除方法，随着科技的不断发展，新的焊接应力消除技术和方法也在不断涌现，未来需要进一步深入研究，以更好地满足工程实际的需求，保障焊接结构的质量和安全。