焊接应力是焊接构件由于焊接而产生的应力。焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的焊件的形状和尺寸变化。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。

焊接应力消除是确保焊接结构尺寸稳定性、抗疲劳性能和抗应力腐蚀能力的关键工艺。

由于焊接应力对焊接结构质量造成诸多不利影响，目前国内消消除和降低焊接残余应力的方法主要包括热处理法、冲击法( 振动时效、炸裂法、锤击、喷丸、豪克能超波冲击等) 以及机械拉伸法( 液压过载法、温差拉伸法等)。

 

一、热处理法

1、焊接应力分类与影响

1）应力类型

宏观残余应力：沿焊缝纵向的拉应力（可达材料屈服强度的70-90%）

微观组织应力：相变（如马氏体形成）导致的局部应力

2）负面影响

变形：薄板结构翘曲（如汽车门框匹配超差）

疲劳裂纹：应力集中处萌生裂纹（降低寿命30-50%）

应力腐蚀开裂：在腐蚀介质中加速失效（如海洋平台管道）

2、焊接应力消除方法

（1）去应力退火

工艺参数：

碳钢：600-650℃ × 1-2h（每25mm厚度）

不锈钢：850-900℃ × 2-4h（需控制晶粒生长）

效果：消除60-90%残余应力

局限：大型结构炉体投资高，能耗大

（2）局部热处理

应用：管道环焊缝、船体分段

设备：陶瓷加热毯 + 温控系统（精度±10℃）

标准：ASME Sec VIII Div.1

它是将容器加热到550~ 650摄氏度, 最高不能超过材料的相变点或钢材自身的回火温度， 保温一段时间后缓慢冷却的过程。当钢材的温度升高时，其屈服强度下降，这样原有的弹性应变会成为塑性应变，从而使应力松弛。

消除应力热处理质量的好坏关键在于对加热温度、保温时间、以及温度的均匀性，等工艺参数进行控制。热处理的温度越高，保温时间越长，应力消除的越彻底。研究证明，经过消除应力热处理后工件的应力一般能消除60% ~80%以上。

 

二、振动时效法

原理：共振使位错滑移，应力重分布

参数：

频率：50-200Hz（需避开结构固有频率）

时间：20-40分钟/米焊缝

效果：消除30-50%应力，效率高（汽车生产线常用）

标准：JB/T 5926-2005

振动时效处理是工程材料常用的一种消除其内部残余内应力的方法，是通过振动，使工件内部残余的内应力和附加的振动应力的矢量和达到超过材料屈服强度的时候，使材料发生微量的塑性变形，从而使材料内部的内应力得以松弛和减轻。

振动时效的实质是通过振动的形式给工件施加一个动应力，当动应力与工件本身的残余应力叠加后，达到或超过材料的微观屈服极限时，工件就会发生微观或宏观的局部、整体的弹性塑性变形，同时降低并均化工件内部的残余应力，最终达到防止工件变形与开裂，稳定工件尺寸与几何精度的目的。它是将一个具有偏心重块的电机系统(称做激振器)安放在构件上，并将构件用橡皮垫等弹性物体支承，通过控制器起动电机并调节其转速，使构件处于共振状态。约经20~30 分钟的振动处理即可达到调整残余应力的目的，一般累计振动时间不应超过 40 分钟。

同消除应力热处理法相比，振动时效设备投资少，能耗降低90% ，工期也从原来的10余小时缩短至1小时之内，而且其无氧化，尺寸精度稳定，其应力消除效果已达到或接近热处理的效果。

相关研究表明，采用振动时效处理可消除应力50%~70%。但目前振动时效技术在设备的可靠性以及自动控制程度还较低，并且对于是否能对材料造成其它方面的缺陷，例如疲劳损伤等方面缺乏必要的验证。

振动时效和热时效都是常用的去应力方法，其主要区别如下：

热时效：通过加热炉进行处理，不仅消耗大量的能源、占用场地和较大的设备资金投入，而且消除残余应力的效果也因炉况的不同有很大的差异，其对残余应力的消除率一般在 40~80%之间。但其应用广泛，去应力彻底，但可能导致较大变形，耗能大，并且会对环境造成污染，它通常用于大型结构刚体。

振动时效：使用时将工件放置到胶皮垫上或以木块垫起工件，使工件悬空，然后将激振电机安放并固定到工件上，调整电机激振频率与工件自身频率一致，产生共振，一般1小时以内可完成去应力处理。振动时效虽然使用方便，但其应力消除率一般在 30~50%。而且去应力往往不彻底，但对于控制得当的情况，去应力效果显著。它的优点包括变形小、耗能低、效率高、使用方便、节约能源和成本、无环境污染，并且能够显著提高机械性能。它特别适合大型焊接件和超重型铸件，以及不适合高温时效的材料和零件。

 

三、过载法

工艺：施加80-90%屈服强度的拉伸载荷

应用：压力容器水压试验（同时检测泄漏）

静态过载法消除残余应力是以静力或静力矩的形式，暂时加载于工件上，并在这种载荷下保持一段时间，从而使零件尺寸精度获得稳定的时效方法。 

静态过载法消除残余应力既可用于铸件，也可用于焊接结构件，只是用于焊件时需要将载荷加大到使原始应力与附加应力之和接近材料的屈服极限，才能消除残余应力。 

静态过载法稳定工件尺寸精度的效果，取决于加载时工件中产生的附加应力的大小及在应力下保持的时间。

静态过载处理后工件中仍然保持相当大的残余应力。因此，机械粗加工应在过载处理前进行。对特别精密的零件，机械加工余量需合理地分成两部分，其中大部分在过载处理前加工掉，只留一小部分待过载处理后的精加工时再去除。

振动时效消除残余应力是将工件在固有频率下进行数分钟至数十分钟的振动处理，消除和均化其残余应力，使尺寸精度获得稳定的一种方法。JH振动时效设备工艺具有耗能少、时间短、效果显著等特点，在国内外已得到迅速的发展和应用。

 

四、爆炸法

指通过计算和合适的布置，利用少量炸药爆炸时产生的高温和巨大压力，来对工件进行处理。一方面在紧靠炸药的焊缝区，由于爆炸冲击载荷与残余应力叠加而超过了材料的动态屈服强度，随即产生塑性变形，原始残余应力开始释放。

同时, 应力波经2~ 3 次的反射后，或在压力容器的其它部位应力波的峰值与残余应力叠加虽小于材料的动态屈服值。但由于振动产生的消除应力的效果，可使压力容器各部分的残余应力都产生不同程度的降低。

爆炸法成本很低、工期短，对设备和场地几乎没有要求，从质量上讲不但可以有效消除焊接残余应力，而且在处理区域可以形成一定的压应力。

由于缺乏必要的深入的研究，虽然同消除应力热处理相比该技术具有一定的优越性，但其应用和控制的准确性、可靠性方面，还不能使人完全信服，因此并未在整个压力容器制造行业得到推广。

 

五、液压超载法

液压超载法是一种通过施加超过工作状态的外载荷来消除焊接残余应力的技术。

液压超载法是指在可控条件下，对容器施加一次或多次比其工作状态下稍大的外载荷。该载荷形成的应力与容器局部存在的焊接残余应力叠加，当合成应力达到材料屈服极限时，局部区域便产生了塑性变形。

由于容器本身是连续的，在外载荷卸除过程中，屈服变形区域与弹性变形区域同时以弹性状态回复，存在与容器内部的焊接残余应力随之获得释放而被部分消除。此技术一般是通过水压试验来进行的，这对于一些焊后需要进行液压试验的焊接容器特别有意义。

因为水压试验时容器所承受的试验压力均大于容器的工作压力，例如钢制压力容器其试验压力为容器工作压力的1. 25 倍，所以容器在进行水压试验的同时，对容器材料进行了一次相当于机械拉伸的膨胀，从而消除了部分焊接残余应力。

试验结果表明，当容器材料选定时，残余应力消除效果与水压试验的压力成正比，因此可以适当的提高水压试验的压力以利于消除残余应力。

由于水压试验是压力容器制造过程中必经的工序，因此采用此方法无需增加设备的投入，工期短、成本低、体现了良好的经济效益。

 

六、锤击/喷丸法

锤击工具：

气动针式锤（用于焊缝表面）

超声冲击枪（精度更高）

参数控制：

冲击能量：0.5-2J

覆盖率：100-200%

效果：

表面形成压应力层（深度0.5-1mm）

提升疲劳寿命2-3倍

采用锤击法适用于较长的焊缝和堆焊层。焊缝金属在冷却时由于焊缝收缩时受阻而产生应力，这时趁着焊缝和堆焊层还在赤热的状态下用锤轻敲焊缝区，焊缝金属在迅速均匀的锤击下产生横向塑性伸展，使焊缝收缩得到一定补偿，从而使该部位的拉伸残余应力的弹性应变得到松弛，焊接残余应力即可部分消除。

锤击应在较高的温度下进行, 但应避开材料的蓝脆范围。多层焊时，第一层和最后一层焊缝不用锤击，其余每层都要锤击。

第一层不锤击是为了避免产生根部裂纹，最后一层焊缝要焊接得较薄，以便消除由于锤击而引起的冷作硬化。

锤击法从原理上讲对防止应力腐蚀开裂是会有一定的抑制作用，在实际压力容器制造中应用的比较广泛。

但是由于在实践操作过程中没有量化指标和较严格的操作规程，受人为操作因素影响较大，加上对比使用的验证工作不够，始终未被现行标准所采用，无法作为消除应力的最终处理，目前大多作为焊接过程中的应力松弛手段，也可用于难于进行热处理的奥氏体不锈钢焊接中。

 

七、豪克能法

豪克能消除应力是一种通过超声冲击设备来消除焊接残余应力的技术。

豪克能消除应力处理能同时改善影响焊缝疲劳性能的几个方面的因素，如焊趾几何形状、残余应力、微观裂纹和熔渣缺陷、表面强化等，从而大幅度提高焊接接头的疲劳强度和疲劳寿命。这种处理方法可以达到80%以上的焊接应力消除率，并预置压应力，增强焊接强度。豪克能消除应力不受工件材质、形状、结构、钢板厚度、重量、场地之限制，特别是在施工现场、焊接过程和焊接修复时用于消除焊接应力更显灵活方便。

豪克能消除应力是最彻底消除焊接应力的方法，它不仅使残余应力的消除率达到 80~100%，而且还能产生理想的压应力，这对焊接构件的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能也大有益处。但毫克能处理是使用冲击枪对准焊缝，沿焊缝扫一遍，对于车架等焊缝较多的构件来说处理起来较麻烦，时间较长，劳动强度较大。