焊接残余应力的控制与消除方法

1、焊接残余应力产生的原因

  对构件进行焊接时，在焊件上会产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处温度可达160℃，高温区的钢材会发生较大程度的膨胀伸长，但受到相邻钢材的约束，从而在焊件内引起较高的温度应力，并在焊接过程中，随时间和温度而不断变化，称其为焊接应力。焊接应力较高的部位，甚至将达到钢材的屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残余于焊件内的应力，称为焊接残余应力。并且在冷却过程中，钢材由于不能自由收缩，而受到拉伸，于是焊件中出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。残余应力是一种自相平衡的力系，当构件承受载荷时，如受拉、受压等，载荷引起的应力将与截面残余应力相叠加，从而使构件某些部位提前达到屈服强度，并发生塑性变形，故会严重降低构件的刚度和稳定性以及结构疲劳强度。

2、焊接残余应力对结构性能的影响

焊接残余应力对结构影响是非常不利的，主要是表现在以下几个方面：

1）对构件刚度的影响

  当外载产生的应力与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点δs时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外载的能力，造成结构的有效截面积减小，结构的刚度也随之降低。

2）对受压杆件稳定性的影响

  当外载引起的压应力与残余应力中的压应力叠加之和δs，这一部分截面就丧失进一步承受外载的能力。折旧削弱了构件的有效截面面积，并改变了有效面面积的分布，降低了受压杆件的稳定性。

3）对静载强度的影响

没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一定的塑性变形能力，残余应力不影响结构的静载强度。如材料处于脆性状态，则拉伸残余应力和外载应力叠加有可能是局部的应力首先达到断裂强度，导致结构早期破坏。

4）对疲劳强度的影响

残余应力的存在时结合在的应力循环发生偏移。这种偏移，只改变其平均值，不改变其幅值。结构的疲劳强度与应力循环的特征有关，当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就会降低，反之则提高，因此，如应力集中存在着拉伸残余应力，疲劳强度将降低。

5）对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响

    机械加工把一部分材料从焊件上切除时，此处的残余应力也被释放。残余应力原来的平衡状态被破坏，焊件发生变形，加工精度受到影响。

6）应力腐蚀开裂的影响

  应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀工作作用下产生裂纹的现象，在一定材料和介质的组合下发生。应力腐蚀开裂所需的时间与残余应力大小有关，拉伸残余应力越大，应力腐蚀开裂的时间越短。

3、焊接残余应力的控制与消除的方法

鉴于焊接残余应力的不利影响，必须采取措施控制其产生和进行部分消除，常用的焊接残余应力控制方法有：利用焊接顺序和方法控制焊接残余应力，利用降低结构局部刚度控制焊接残余应力，利用锤击焊缝区控制焊接残余应力，利用预热控制焊接残余应力，利用“加热减应区法”控制焊接残余应力，利用高温回火消除残余应力，利用机械拉伸法消除焊接残余应力，利用温差拉伸法消除焊接残余应力，利用超生波振动消除焊接残余应力（本文重点），利用爆炸法消除焊接残余应力，焊接接头的设计优化。

其中利用振动波振动消除焊接残余应力省时、省力，可以大幅提高企业生产效率，降低生产成本，下面就讲解下如何利用超生波振动消除焊接残余应力。

构件承受变载荷应力达到一定数值，经过多次循环加载后，结构中的残余应力逐渐降低，即利用超声波振动的方法可以消除焊接残余应力。

超声波振动法的优点是设备简单易操作、成本低、工效高，没有高温回火时的氧化问题，消除应力主要在工厂进行。

超声波振动是利用金属在常温状态下的冷塑性特点，结合高束能对金属零件进行强化和微小形变处理，机械加工中通过高束能冲击原理结合到机械各种加工中，实现微小孔纳米级加工,机械加工技术，使金属零件表面达到更理想的表面粗糙度、消除残余应力、减少刀具损耗、减少工序和人力开支，同时在零件表面产生压应力，提高零件表面的显微硬度、耐磨性及耐腐蚀性，延长疲劳寿命。

高束能是一种包含激光束、电子束、离子束、高频高束能加工的通称，由电能转换的、高频的（频率是20～100KHZ）、高能量密度的且振幅很小的高束能机械能和温度略高于室温的激活能的复合能量,通过各种传递方式将能量打入金属组织内部改变金属塑性，从而实现金属改性加工，在机械加工中效率更高、效果正好；解决了机械行业加工中诸多机械问题；可加工HRC65度以下零件，金属表面光洁度提高3个等级以上，一次装夹光洁度可达Ra0.02μm超镜面效果，从而达到提高工件疲劳强度，消除残余应力的效果。