焊接后热处理技术及焊接残余应力的影响

兰平

摘要：焊接工艺是一个高能耗的产业，必须从能源消耗较大的行业先进行改革，以达到节能减排的环保目标，提倡节能减排，这对全球能源的可持续发展来说，都是至关重要的。各行各业的能源消耗都会影响全球经济发展，对焊接工艺进行科学处理，对焊接残余应力进行科学处理，能够符合当前我国提倡节能减排的政策要求。

关键词：焊接；残余应力；热处理；

目前随着大型建筑的增多，钢材料的应用范围也是逐渐拓宽，在进行焊接施工时会产生较高的温度，在此情况下材料难免会产生一定程度的变形现象，目前主要展现的变形有两种，一种是永久变形，这是一种较长时间的变形，材料以后几乎无法再次应用，第二种是冷却后能够恢复原状，这种是在受热后产生的瞬间变形，是短时期的。研究焊接后热处理技术和焊接残余应力，对提高建筑结构质量有重大意义，也是符合我国节能减排政策的重要改革。

一、焊接后热处理技术的应用机理

为了减小焊缝与金属试板之间的温差，在焊接工程前，通常会采取焊前预热的操作方法。在焊接工艺前采用焊前预热，可以尽量避免发生焊缝不均匀等变形问题，构件焊接后产生弹塑性应变，焊接后的冷却过程中，由于构件塑性流动不均匀，从而导致焊接构件产生焊接残余应力。在构件的冷却过程中，采用保温棉，减少原材料和焊缝之间的温差，让材料在冷却过程中能够均匀冷却，形成均匀变形，减少焊接残余应力的影响。在焊接过程中，焊接区的温度高于相邻区域，由于局部热输入不均匀，在靠近熔池的高温区，可能引起焊缝区的熔化现象。受到周围环境和因素的制约，材料的热膨胀受到影响，由于构件上焊接热源加热或冷却不均匀，有些材料被塑性变形化，高温区的材料会形成不均匀压缩，从而产生塑性变形现象。在熔池中发生凝固，不能自由收缩，形成焊缝的金属被冷却收缩，在一定程度上也会形成一定的拉应力。当焊接收缩时，首先使用冷却部分，开裂部分将被压缩，冷却部分将被拉伸。为了保证焊接结构的安全性和可靠性，避免焊接残余应力的存在对结构承载力的影响，对焊接残余应力的准确推断测量十分重要，钻孔切割等测试方法不仅受多种条件的限制，而且费时费力，造成残余应力较大的数据误差。焊接残余应力会严重影响焊接结构的性能，从而导致结构的脆性断裂，由于焊接残余应力测量程序繁琐，压缩残余应力会降低稳定极限，计算复杂给残余应力的研究带来了许多困难，因此对焊接残余应力地研究就显得尤为重要。为了尽量减少焊接变形和残余应力，应当采用合理的焊接方法，在正式开始焊接前，要稳固结构，做好刚性固定，有效减少焊接过程中产生的变形问题，同时，也可以在进行焊接工作前，将结构进行反向预变形，在焊接过程中使结构基本达到原始状态，在焊接过程中，可以通过降低温度的方式减少材料的变形程度，隔水散热，或在焊接部位放置铜版，但在使用过程中要注意淬火倾向的材料可能出现的变形问题。

二、焊接残余应力地消除办法

2.1拉伸消除法

消除焊接残余应力，首先可以采用拉伸消除法。经过试验，可以得出结论，残余应力也可以通过机械拉伸（预拉伸）来测量，例如，压力试验可用于压力容器或压力管道，也可以在焊缝两侧加热到200℃形成一个高温区，为了减少和消除焊接残余应力，焊缝区由于高温膨胀力而被拉伸。为了消除和调整焊接残余应力，必须采用正确的焊接顺序，合理的焊接工艺，降低焊接刚度，虽然构件长度的分布范围不大，但对构件的刚度仍有很大的影响。在焊接部位的某些部位，通过加热焊接部位，焊缝可在一定范围内自由收缩。如果能够有效地降低各环节的残余应力，使材料在使用寿命内质量得到大幅度提高，其力学性能在机械加工工程中具有重要的现实意义。

2.2机械振动法

消除焊接残余应力，可以采用机械振动法。机械振动法采用偏心变速的方法，由电机组成的激振器使焊接结构产生共振，产生循环应力，降低焊接内应力。分析了焊接结构残余应力的变化规律，结果表明当交变载荷达到一定值后，经过反复循环振动，焊接结构的残余应力明显降低。该方法设备简单、成本低、时间短、金属表面因高温温度而无氧化现象，在生产中得到了广泛的应用。

2.3爆炸消除法

消除焊接残余应力，可以采用爆炸消除法。从20世纪80年代初开始，国内专家开始研究消除残余应力的新方法，并取得了一定的成效。该方法是在焊接结构中以适当的方式使用适量的炸药，使爆炸产生的冲击波沿一定方向引爆部件的残余应力区，以减少或消除残余应力，使残余应力区出现塑性变形，这种方法称为爆炸消除法。爆炸消除法不仅可以完全消除焊接残余面积，而且残余拉应力也可以在焊接区产生有益的残余压应力。当外荷载与残余应力之和为0时，这部分截面失去进一步承受外荷载的能力，削弱了构件的有效截面积，改变了有效截面积的分布，并改变了稳定性。

2.4热处理淘汰法

消除焊接残余应力，可以采用热处理淘汰法。本文提出了一种新方法——高温蠕变应力松弛理论。当工件温度较低时，发生蠕变时工件温度升高，材料中的残余应力降低，保温时间满足要求时，从理论上说就可以完全消除残余应力。当低温消除焊接残余应力时，材料的金相组织、力学性能和表面性能得到改善，从而基本上不影响零件的性能，材料的力学性能和金相组织基本不同，其目的是在变应力情况下有效地降低焊接残余应力。由于大面积拉应力的存在，金属表面腐蚀钝化膜的破坏力增大，残余拉应力与拉应力的叠加加速了腐蚀和断裂。

2.5豪克能法

消除焊接残余应力，还可以采用毫克能法。毫克能法应用效果良好，可以消除80%以上的残余应力，这是目前消除焊接残余应力最有效的一种方法。毫克能法的具体操作也较为简便，在构件表面作用大功率豪克能工具，让材料表面具备较大的塑性变形能力，这一过程不仅可以提高结构部位的抗疲劳度，还可以有效的消除焊接后残余应力，可以说是一举两得。

三、结束语

本文中通过分析焊接变形和残余应力产生的原因，例举了毫克能法、拉伸消除法、机械振动法、爆炸消除法和热处理淘汰法等四种解决残余应力的方法，本着从原因出发的原则，通过合理的解决策略，提高焊接后热处理技术，达到减少焊接后残余应力的效果，提高焊接工艺的科学性和节能性。通过研究焊接后热处理技术，不仅能够使构件在焊接时减少出现焊接裂缝的情况，也可以在一定程度上增强钢结构的稳定性和安全性，使建筑整体结构的质量得到保障，满足设计和实际使用要求。

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