前言

焊接工藝主要應用于工程結構件，如船舶、車輛箱體、橋梁、鋼結構、容器、管道、反應釜等等，動載機器結構件應用較少（如汽車零配件采用摩擦焊較多）。在對鋼結構進行焊接時，加熱和冷卻的過程會使焊件內部有溫度差異，由此引起變形不一致就會產生內應力，這類應力被稱為焊接殘余應力。

焊接殘余應力是焊件產生變形、開裂等工藝缺陷的主要原因，焊接變形在制造過程中危及形狀與尺寸公差、接頭安裝偏差和增加坡口間隙，使制造過程更加困難；焊接殘余應力可使焊縫特別是定位焊縫部分或斷開；機械加工過程中釋放的殘余應力也會導致工件產生不允許的變形。

同時，焊接殘余力可能引起結構的脆性斷裂，拉伸殘余應力會降低疲勞強度和腐蝕抗力，壓縮殘余應力會減小穩定性極限。因此，焊接殘余應力一直是焊接界關注的重點問題之一。

如何控制焊接殘余應力？

焊接應力是不可避免的，焊接操作結束后，一方面使構件產生焊接變形釋放一部分焊接應力，另外則以殘余應力形式存在，但是所有焊接構件，一般而言均存在殘余應力和變形。我們可以通過一些方法，來控制焊接殘余應力。

設計措施（1）在保證焊件結構強度的前提下，可適量采用沖壓結構，以減少焊接結構，盡量減少焊縫的數量化和截面尺寸。同時，焊縫不要過于集中，以防局部區域的熱量輸入過大。

（2）焊縫盡量布置在最大工作應力區以外，防止焊接殘余應力與外部載荷產生應力疊加，影響構件測承載能力，并盡量防止焊縫過于集中、交叉、保持較好的焊接操作性。

（3）采用降低局部剛度的方法和合理的接頭方式，使焊縫能較自由的收縮，減少焊接接頭產生應力集中現象。

（4）采取熱輸入較小和能量密度集中的焊接方法來減小焊接殘余應力，如氬弧焊與離子弧焊等。

工藝措施（1）在焊接過程中，要先焊錯開的短焊縫、收縮量較大的焊縫和受力較大的焊縫。同時，根據不同的焊件機構采取相應的焊接順序，這樣才能使焊縫有較大的收縮自由，保證焊縫中的殘余應力盡可能減少，并保證焊件的焊接殘余應力的分布要合理。

（2）在焊接拘束度較大的焊縫時，要注意降低焊縫的拘束度。例如，可采用反變形法來降低焊件的局部剛度，減少了焊縫的拘束應力。

（3）采用合理的工藝參數及合適的加工方法。如先用小直徑焊絲，采用較小的焊接電流及提高焊接速度等方法來控制焊接熱輸入，也可采用預熱、加熱減應區及捶擊等方法，來減少焊縫的焊接殘余應力。

如何控制焊接殘余應力？焊接殘余應力產生過程非常復雜且弊大于利，因此采取有效的措施來減小焊接殘余應力是非常有必要的。目前，常用的消除焊接殘余應力的方法有熱處理、激光處理法、加載法、爆炸處理法、熱處理法、錘擊處理法、振動處理法、深冷處理法、超聲波處理法等。焊后熱處理(簡稱PWHT)

焊后熱處理是焊后消除焊接殘余應力的主要方法。焊后熱處理是指將焊接件整體或局部加熱到A1相點以下的適當溫度并保溫一段時間，然后再緩慢冷卻，以達到消除焊接殘余應力的目的。除了部分超高強度鋼及部分特殊要求的部件焊后采用調質處理，奧氏體不銹鋼采用固溶處理外，大部分結構鋼的焊后熱處理是指退火處理。

優點（1）、降低熱影響區的硬度。焊后熱處理溫度越高。熱影響區的軟化效果越好，但溫度太高會使強度降低，所以熱處理加熱溫度和保溫溫度要控制恰當。（2）、釋放焊接位置中的氫。及時恰當地進行焊后熱處理，實質上是脫氫處理，可以防止出現氫致裂紋。（3）、提高抗腐蝕能力。焊接件腐蝕的原因是由于拉應力和腐蝕介質。這兩個只要缺少個就不會使焊接件產生腐蝕裂紋。（4）、影響焊接件的強度。焊后熱處理可以消除焊接殘余應力、降低硬度和含氫量，使焊接件的脆性斷裂強度、變強度及抗腐蝕開裂能力都有所提高。

缺點（1）、改善疲勞性能不明顯。影響疲勞強度的主要原因是應力集中，造成應力集中的原因有表面粗糙、未焊透、焊別裂紋不、合理的結構設計等。因此，一般情況下焊后熱處理不會改善焊接件的疲勞性能。（2）、影響焊接件的再熱脆化。由于焊接件會有碳化物形成元索的沉淀析出或雜質元素的偏聚，再熱脆化好發生在后熱處種理的溫度范圍，所以一定要注意焊后熱處理帶來的再熱脆化問題。（3）、影響焊接件的再熱裂紋。再熱裂紋通常在 600℃左右最為顯著，正好在焊后熱處理的溫度范圍。因此，焊后熱處理加熱溫度的選擇既要避免產生再熱裂紋又要較好地消除焊接件的殘余應力。（4）、影響焊接件缺口的韌性。焊后熱處理可使低、中強度結構鋼焊接件的焊接接頭的淬硬組織退火并軟化，消除焊接殘余應力，減少脆性，提高塑性和韌性。但是，對于調質高強度鋼，如果焊后熱處理加熱溫度超過原調質回火溫度時，會失去調質效果，使強度和韌性下降。（5）、成本較高，操作不方便，較難控制消除殘余應力的效果。

爆炸處理

爆炸處理是以爆炸方式消除焊接殘余應力的新技術，近年來國內外應用較多。通過覆蓋在焊縫及其附近焊接區表面的特種爆轟造成的沖擊波和殘余應力的交互作用，使焊接件產生適量的塑性變形，從而消除焊接件的殘余應力。研究證明，爆炸處理不僅可以消除焊接區的殘余拉應力，還可以根據需要造成一定的殘余壓應力。

優點①不受焊接件的尺寸限制，方便靈活，消除殘余應力的效果明顯。②提高了焊接件的尺寸穩定性。③明顯提高了焊接結構抗應力腐蝕能力。④提高了焊接件的疲勞強度。⑤提高焊接件的抗脆斷能力。⑥降低焊接件的殘存缺陷的危險性。⑦爆炸過程中沒有熱脆現象。⑧適用于特殊青況下的處理，例如∶退火無法解決的異種鋼、不銹鋼、梁等長細結構的焊后消除殘余應力的處理。

缺點爆炸處理采用的有一定的危險性，一定要妥善保管。爆炸處理如果藥量不當或者布置不合理就可能造成焊接件的宏觀變形、炸傷、消除焊接殘余應力不明顯等不良后果。

激光處理（簡稱 LSP）

激光處理是利用強脈沖激光產生的應力波在焊接件焊接區域產生塑性變形，在微觀上表現為高密度位錯與欒晶，在宏觀上表現為顯微硬度的提高并獲得殘余壓應力的一項新技術。

優點激光處理與傳統處理方法比較，有不損壞試樣表面、高效、靈活、無污染、非熱、非接觸性等特點，可快速高效地對需要強化而難以用其它技術進行強化的局部區域進行處理。激光處理能夠抑制處理區域疲勞裂紋的萌生和擴展，降低裂紋擴展速率，提高疲勞壽命。

缺點如果激光處理不能全部覆蓋焊接區域，就會造成改善疲勞性能不明顯或不均勻的現象。由于這個原因，我們國內也在不斷地研制和開發新的激光處理設備。 

超聲波處理（簡稱 UIT）

超聲波處理是利用超聲波沖擊焊接件焊接區域以達到消除焊接殘余應力，改善焊接件性能的一種技術。

優點超聲波處理相對傳統方法有投資少、處理時間短、效率高、方便、節約能源、無污染等特點。超聲波處理消除薄壁件的焊接殘余應力的效果非常理想，不僅能夠降低殘余應力，而且還會減少焊接位置應力集中、提高焊接處疲勞強度、抑制焊接裂紋，減小變形、穩定構件尺寸。

缺點超聲波處理只能對一定深度的表層金屬產生作用，消除厚板零件的焊接殘余應力的效果不明顯，尤其在板厚方向距離表層越遠消除殘余應力的效果越弱。 

錘擊處理

錘擊處理是指用特制錘頭輕擊焊縫及焊接區域或用高速粒子直接沖擊焊接區域表面的一種技術。

優點錘擊處理有投資少、節約能源、無污染、方便等特點。錘擊處理不僅可以消除焊接殘余應力，而且可以在錘擊表面誘導出殘余壓應力。錘擊處理可以有效地提高焊接件抗疲勞能力。

缺點錘擊處理可能誘發小裂紋和應變時效脆化以及降低材料的抗腐蝕能力等。 

深冷處理

深冷處理是指將焊接件淬火后放在-190℃至-230℃的液態氮或液態氮蒸汽的環境中進行處理，以消除焊接殘余應力的一種技術。

優點利用液氮汽化吸熱以及低溫氮氣吸熱制冷，控制溫度精度準確，降溫過程緩慢、均勻，大大減少了低溫對工件的沖擊，避免焊接件開裂的風險。

①提高焊接件的強度和硬度。②保證焊接件的尺寸穩定。③提高焊接件的耐磨性。④提高焊接件的沖擊韌性。⑤提高焊接件的抗疲勞強度。⑥提高焊接件的耐腐蝕能力。⑦提高生產力。⑧使應力分布均勻。⑨無污染、成本較低、對焊接件沒有破壞性。

缺點深冷處理的最終效果不僅取決于深冷處理工藝，而且還與深冷處理前的熱處理工藝以及和熱處理工藝相關的工藝順序息息相關，所以深冷處理的穩定性較差。深冷處理只能對小型零件進行處理，例如∶刀具、模具、齒輪等。 

振動處理（簡稱 VSR）

振動處理是指直接將震動設備夾固在大型焊接件上、將小型焊接件固定在振動臺上進行振動，以消除焊接殘余應力的一種方法。

優點振動處理投資少，見效快，節約能源，操作方便，利于現場施工，大幅度地縮減生產周期，具有使焊接件應力均勻分布、保持焊接件尺寸穩定、延緩變形時間等特點。

 缺點振動處理消除焊接殘余應力的效果受焊接件的尺寸、材料及振動處理工藝的影響比較大。 

逆焊接溫差處理（簡稱 AWHT）

逆焊接溫差處理是利用與焊接加熱過程相反的方法，采用冷卻介質使焊接區域獲得比周邊母材低的負溫差，在冷卻過程中焊接區域周邊母材拉伸而產生伸長塑性變形，從而抵消焊接時產生的壓縮塑性變形，達到消除焊接殘余應力的目的。

優點如果溫差足夠大，就可以在被處理的焊接件表面產生雙向的壓縮應力層，防止應力腐蝕。

缺點逆焊接溫差處理成本較高，操作比較困難。

結論

通過對幾種消除殘余應力的方法進行比較，我們可以從經濟性、可行性、方便性、效率等諸方面考慮消除殘余應力的方法，延長焊接件的使用壽命，避免或減輕不良事故發生造成的經濟損失，甚至挽救生命，爭取得到較大的經濟效益和社會效益。