消除焊接残余应力的有效方法

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：焊接残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。事实证明，许多结构未进行消除焊接残余应力处理，也能安全运行。焊接残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。因此消除残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，消除焊接残余应力的方法可分为热处理法和机械法。（一）焊后热处理消除焊接残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。

焊接残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。一般焊接残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残余应力处理，也能安全运行。焊接结构是否应消除焊接残余应力，要根据结构的用途、所选用材料的性能等方面综合考虑。焊接残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。因此消除残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，消除焊接残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残余应力

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，在残余应力的作用下产生一定的塑性变形，达到消除焊接残余应力的目的，然后缓慢冷却。部分钢材的消除应力热处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／δPWHT℃／h，且不得超过220℃／h，一般情况不低于55℃／h。再缓慢降温在400℃以上，降温速度不得超过7000／δPWHT℃／h，且不得超过280℃／h，一般情况不低于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，工件上残余应力将有85％左右被消除。

表5-4 部分钢材的消除应力热处理及保温时间

注：δPWHT表示焊后热处理厚度

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残余应力热处理。分两次热处理时，重叠加热部分就在1500mm以上。局部消除焊接残余应力热处理可以降低焊接结构件残余应力的峰值，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较简单的工件，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）过载拉伸消除焊接残余应力

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，与压缩残余变形相互抵消，以达到减小残余应力的目的。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残余应力。

（三）机械振动消除焊接残余应力

机械振动消除残余应力是用激振器使结构产生一个或多个共振或亚共振，使焊接残余应力得以释放，从而降低焊接残余应力或使应力重新分布。机械振动消除焊接残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，消除残余应力25％～60％。但振动处理过程中，可能会产生裂纹或引起裂纹扩展，因此在脆断、疲劳、应力腐蚀危险的情况下不宜采用。

机械振动消除焊接残余应力，激振器的安装位置及工件的支撑很关键，一般激振器应安装在工件振动的波峰处，支撑物可用具有弹性的橡胶等，支撑位置应在工件振动的波节处，如图5-12所示，以便最大限度地释放能量。波峰和波谷的位置可采用沙子或凭手感确定。

图5-12 激振器的安装和工件支撑位置

消除焊接残余应力的有效方法

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