焊接残余应力的消除方法焊接技术是指通过加热或加压（或者两者

焊接技术是指通过加热或加压（或者两者并用）、添加或者不加填充材料，使两种或两种以上材料通过原子或分子间的结合达到永久性连接的一种工艺过程。

在对钢结构进行焊接时，加热和冷却的过程会使焊件内部有温度差异，由此引起变形不一致就会产生内应力，这类应力被称为焊接残余应力。

焊接残余应力产生过程非常复杂且弊大于利，因此采取有效的措施来减小焊接残余应力是非常有必要的。目前，常用的消除焊接残余应力的方法有热处理法、加载法、爆炸处理法、激光处理法、锤击处理法、振动处理法、超声波处理法、深冷处理法、喷丸处理法等。

热处理法

介绍

热处理法是焊后消除焊接残余应力的主要方法，是将焊件整体或局部以一定的速度加热到再结晶温度以上并保温一段时间，此时焊件中的拉应力区会被拉长、压应力区会被压缩，使得部分或全部的变形回复到初始位置，从而达到消除焊接残余应力的目的。

大部分结构钢的焊后热处理是指退火处理。整体热处理法一般可消除60%-90%的残余应力，其消除应力效果主要取决于热处理工艺。局部热处理法则只能降低残余应力的峰值，不能完全消除残余应力。

利与弊

热处理法可以降低热影响区的硬度，及时恰当地进行焊后热处理可以释放焊接位置中的氢，提高焊接件的抗腐蚀能力、脆性断裂强度、蠕变强度及抗腐蚀开裂能力。

但是焊后热处理成本较高、操作不方便、不能明显改善焊接件的疲劳性能、可能会在焊接件中产生再热脆化和再热裂纹。

加载法

介绍

加载法是通过在焊件上加载拉应力来抵消焊接时产生的应力，从而消除残余应力。

分类

基于加载方式的不同可以将加载法分为机械拉伸法和温差拉伸法。机械拉伸法是通过拉伸构件来产生拉应力，而温差拉伸法则是利用受热膨胀的原理，使焊接区域的温度比两侧区域的温度低从而利用温度差来产生拉应力。

注意点

有研究表明，对于奥氏体不锈钢而言，采用机械过载拉伸的方法可以有效降低焊接残余应力峰值，并且使焊接残余应力分布更加均匀。载荷加的越高，焊接残余应力就消除的越多。

但是超过一定数值之后，残余应力消除的效果逐步减弱。加载法消除焊接残余应力的效果相对较差，如果加载不当还会引起结构的变形，而温差拉伸处理成本较高，操作比较困难。

爆炸处理法

介绍

爆炸处理法是通过覆盖特种炸药在焊缝及其附近表面，炸药爆炸产生的冲击波会使焊件产生塑性变形，与原有的残余应力的相互抵消达到消除的目的。

利与弊

爆炸处理法消除残余应力的效果明显且使用方便、不受焊接的尺寸限制，适用于特殊焊接结构的残余应力的消除。

但是在爆炸处理时，如果炸药用量不当或者炸药布置不合理就可能造成焊接件的宏观变形、消除效果不明显甚至人员伤亡等不良后果。

激光处理法

介绍

激光处理法是通过用强脉冲激光来冲击焊件，产生的等离子体冲击波可以使焊接区域产生塑性变形，从而消除焊接残余应力。该方法可以通过精确控制激光能量、冲击区域、冲击角度和冲击次数来实现对复杂焊件的去应力处理。

利与弊

激光处理法不会损坏试样表面、对环境无污染，而且方法灵活高效，恰当地利用激光来处理焊接区域还可以提高焊件强度和疲劳寿命。

但是如果处理不当，如激光不能全部覆盖焊接区域，就会造成改善疲劳性能效果不佳。

锤击处理法

介绍

锤击处理法是指用锤头敲击焊接区域，使焊接区域产生塑形变形，从而减小焊接残余应力。常见的锤击形式包括：手动锤击、电动锤击、气动随焊锤击、冲击枪锤击、电磁随焊锤击。

利与弊

锤击处理法有成本低、操作简单和节能环保等特点。锤击处理法不仅可以消除焊接残余应力，还可以对焊接进行校形、提高焊接件抗疲劳能力和力学性能。

但是如果锤击不当可能会出现降低材料的耐腐蚀性能、诱发小裂纹和产生应变时效脆化等问题。

振动处理法

介绍

振动处理法是指通过振动使焊件各部位在交变应力与残余应力的合力作用下产生局部屈服，引起微小塑性变形，使构件内部的残余应力减小。

利与弊

振动处理法操作简便、时间短、成本低且节能环保，可以使焊接件中的应力均匀分布，保持焊接件尺寸稳定和延缓变形时间。

但是应力消除效果受焊接件的尺寸、材料及振动处理工艺的影响比较大。

超声波处理法

介绍

超声波处理法是通过利用超声波冲击焊接件，使焊件区域产生塑形变形，从而消除焊接残余应力。

利与弊

超声波处理法相对传统方法而言有成本低、操作方便、效率高、节能环保等特点。除了能够降低残余应力，超声波处理法还可以提高焊接处疲劳强度、抑制焊接裂纹、减少焊接区域的应力集中、稳定构件尺寸。

但是超声波处理法的作用范围有限，对于薄壁件的焊接残余应力的消除效果非常理想，而对于厚板零件的焊接残余应力消除效果不明显。

深冷处理法

介绍

深冷处理法是指将焊接件淬火后放在液氮或液态氮蒸汽的环境中进行处理，通过不同阶段温度变化引起的内应力的变化，抵消部分残余应力。

利与弊

深冷处理法无污染、成本较低、对焊接件的冲击性小，可以有效地确保工件尺寸并避免焊接件开裂，提高焊接件力学性能和耐腐蚀性能。

但是由于消除应力的效果与深冷处理工艺、深冷处理前后的热处理工艺及相关工艺有关，故深冷处理法的稳定性较差。深冷处理法只适合处理小型零部件，例如齿轮、刀具、模具等。

喷丸处理法

介绍

喷丸处理法是将高速弹丸流喷射到部件表面，使部件表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层。强化层内形成较高的残余应力，由于部件表面压应力的存在，当部件承受载荷时可以抵消一部分张应力，从而提高部件的疲劳强度。

利与弊

实验表明，喷丸处理法对材料的抗拉强度没有明显的影响，会使延伸率略有降低、表面硬度有所增高、冲击韧性略有下降，可以大幅度提高循环载荷作用下金属的疲劳强度和耐应力腐蚀能力。

但是喷丸处理法会使材料表面显微组织结构发生变化，受喷表面变得粗糙，尺寸增大。喷丸处理法适合各种机械、航空、航海、矿山、铁路、运输、重型机械、军械等。

结语

在焊接结构中普遍存在焊接残余应力，总的来说焊接残余应力的作用是弊大于利，焊接残余应力不仅会影响焊件的加工质量和尺寸稳定性，也会降低焊件的使用性能。焊接残余应力的测定方法和消除方法有很多，也各有优缺点。通过比较残余应力的消除方法，我们可以从操作难易程度、工作效率、经济成本等方面选择合适的消除残余应力的方法，延长焊接件的使用寿命，避免或减轻不良事故发生造成的经济损失，争取获得较大的经济效益和社会效益。

选自：《理化检验-物理分册》 Vol.53 2017.9

作者：卢书媛，工程师，常熟出入境检验检疫局

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