控制和消除焊接应力的措施及方法
控制和消除焊接应力的措施及方法
作者：鲁兆鹏
来源：《职业·中旬》2012年第03期
一、控制焊接应力的措施
焊接以后留下一定的残余应力是不可避免的，但是可以通过恰当的工艺措施给予一定程度的控制和调节，使应力值尽可能减小，分布尽可能合理。
焊接应力是由于焊后收缩受到制约造成的，制约越严重，内应力也就越大。因此，控制内应力的方法虽有多种，但基本原则只有一个，就是缓和对焊缝收缩的制约。通常采用的工艺措施有以下几种。
1.采用合理的焊接次序
所谓合理的焊接次序，主要是应该尽量使焊缝能比较自由地收缩，特别是那些收缩比较大、残余应力比较大的焊缝。
图1是拼接工字梁的情况。这时应事先留出一段翼板——腹板角焊缝3，先焊接受力最大的翼板对接焊缝l，然后再焊接腹板对接焊缝2，最后焊满角焊缝3。这种焊接次序可以使翼板的对接焊缝预先受压应力，而腹板对接缝受拉应力。角焊缝留在最后焊可以保证腹板有一定的收缩余地，同时也有利于在翼板对接焊时采取反变形措施以防止角变形。实验证明，这样焊成的梁的疲劳强度比先焊腹板的梁高出30％。
2.预热法
焊接温差越大，残余应力越大，同时从组织转变来说，冷却速度越快组织应力也越大。预热可以达到减小温差和减慢冷却速度的目的，从而减小焊接应力。
焊件是否需要预热，主要是从钢材的化学成分、厚度和结构刚度等方面来考虑，而预热温度的选择则主要是根据钢材的化学成分来确定。
一般来说，钢材含合金元素越多，越容易形成淬硬组织；而合金元素含量越多的钢材，就越需要预热，同时预热温度也偏高。
钢板越厚越要求预热。因为钢板越厚散热越快，冷却越快，就越需要通过预热来减慢冷却速度。所以对一些含合金元素较低的钢种不需要预热，但钢材若具有一定厚度时就要增加一道预热工序。刚度越大的结构，越需要预热。因为结构的刚度越大，焊缝收缩所受到的制约也越大，应力就越大，所以需要通过预热来降低焊接应力。
3.同步收缩法
焊缝（确切地说是有效区段）的收缩因受到旁边冷金属的牵制而形成拉应力，也就是说，有效区段旁边的较冷的金属不允许它收缩，从而形成较大的应力。如果采取适当的工艺措施，允许它或者部分地允许它收缩，就可以免除或者部分地免除残余焊接应力。同步收缩法就是基于这个原理所采取的工艺措施。
下面通过实例介绍在地铁感应板的焊接生产中控制焊接应力的重要性。因为感应板为梁结构，如图2所示，在焊接复合板和角钢之间的通长焊缝时很容易引起焊接变形，导致整个感应板扭曲，并产生焊接应力。这时就有必要采取同步收缩法，减小这样的焊接变形。可在感应板两侧同时进行焊接，这样感应板两侧的焊缝同时受热、同时冷却，达到了同步收缩的目的。
二、消除焊接应力的方法
消除焊接应力的方法主要有热处理法、机械法和振动法等。
1.热处理法
热处理法主要是指焊后进行退火处理。焊件是否需要热处理，主要应考虑钢板的化学成分、厚度、结构刚性和使用条件等方面。消除应力退火分整体退火和局部退火，目前转向架焊接生产中常采用的就是整体退火法。
但值得注意的是，退火法是无法消除焊接变形的，若退火不当还会增加工件的变形，因为温度越高材料越容易变形，所以要采取预防措施，如放置平稳和增加垫块等。
2.机械法
机械法中的一种常见形式是“锤击法”，是使有效区产生塑性变形的机械消除应力的方法，就是用小锤或装有圆头的风枪对焊缝进行锤击。风枪应垂直于焊缝，同时风力不要过大。 机械消除应力法还有另一种形式，就是对焊接结构实行有控制的过载，也就是使构件承受比正常工作状态下大的载荷，使构件产生局部的屈服，以降低焊接应力。施加的过载量越大，效果也就越好，如过载使整体达到屈服，残余应力也就全部消除。对于那些不能采用热处理方法来消除应力的工件，过载法是比较好的一种方法。
3.振动法
振动法是通过低频振动来消除应力的方法。振动法不仅会降低材料的屈服极限、抗拉强度，还具有设备简单、能量消耗少、操作方便、需要时间短、不破坏工件表面状况以及不产生公害等优点，但目前国内机车行业较少采用此法。