碳钢焊接残余应力分布规律及消除方法研究进展

焊接是碳钢材料连接的关键手段，实际应用时难免会产生残余应力。残余应力存在可能致使焊接结构出现变形情况，尺寸精度有所下降，甚至还会引发裂纹，对结构的服役性能以及使用寿命造成极为严重的影响。深入研究碳钢焊接残余应力的分布规律以及行之有效的消除办法，对于提高焊接结构的质量、降低安全方面的风险有着不容忽视的重要意义。

一、碳钢焊接残余应力的分布规律

1.1 纵向残余应力分布

在低碳钢以及普通低合金钢所构成的焊接结构当中，其焊缝所在的区域还有附近的压缩塑性变形区域，一般情况下会呈现拉应力的状态，并且这种拉应力的数值常常能够达到材料的屈服极限的程度。就焊缝中间区域而言，其中的拉应力数值比较稳定，差不多快要接近材料的屈服极限；而在板件的两端位置，拉应力会呈现出逐渐发生变化的情况，在自由端面处的时候，拉应力就会降至零。靠近自由端面的部分区域内，拉应力的大小是小于屈服极限，随着和自由端之间距离的不断增加，拉应力就会慢慢趋向于屈服极限的水平。焊缝的长度、板的宽度以及材质等各方面的因素都会对纵向残余应力的分布情况产生影响。当焊缝变得越长的时候，板条中部的稳定区域也会相应地变长，拉应力会不断增长，直到达到屈服极限的程度；如果板宽比较小的话，那么纵向残余应力就会在整个宽度范围内都有分布，随着板宽逐渐增大，拉应力区和压应力区就会交替出现，并且应力区的面积也会随之增大；不同的材质由于其膨胀系数以及弹性模数存在差异，所以焊缝上纵向残余应力的分布情况也会有所不同，就像低碳钢的热场不够均匀，其纵向残余应力就会比较大，然而铝合金的导热系数比较高，热场趋于均匀的状态，因此残余应力就会比较低。

1.2 横向残余应力分布

横向残余应力包含两个部分。其一，焊缝以及其附近的塑性变形区因纵向收缩而产生的横向应力，在构件上呈现为两端的压应力最大值相较于中间的拉应力最大值要高出许多；其二，焊缝及其附近的塑性变形区由于横向收缩不具备同时性而引发的横向残余应力，其分布情况和焊接的方向、分段的方式以及焊接的顺序等因素相关联。比如，若从中间朝着两端进行焊接操作，那么中间部位会受到压力作用，两端部位则会受到拉力作用；从两端朝着中间开展焊接工作，那么情况就会与之前相反。横向残余应力在与焊缝平行的各个截面上的分布大致是相近的，不过距离焊缝越来越远的地方，应力值也会变得越来越低，等到抵达板端的时候，应力值就归零。

1.3 厚板焊接残余应力分布

厚板焊接时，残余应力的分布情况较复杂。在厚度方向上，因为焊接过程中热量传递以及冷却过程存在差异，中心部位是最晚才冷却，所以纵向和横向的应力在中心处常常会达到最大值，焊接所采用的方法以及工艺参数对于厚板残余应力分布的影响是十分显著的。比如，电渣焊这种焊接方式，由于熔渣的作用，使得两侧的材料先冷却，而中心部位后冷却，这就导致中心位置的拉应力特别突出。

二、碳钢焊接残余应力消除方法研究进展

2.1 热处理法

2.1.1 整体高温回火

整体高温回火指的是把焊接结构整体加热至某一特定温度（通常是在 Ac1温度之下，比如 550 至 650^∘C ），然后保持该温度一段时间，之后再慢慢冷却下来，在此温度状况下，材料内部的原子能够获取足够的能量来实现扩散，如此一来，残余应力便可以得到松弛。相关研究显示，整体高温回火能够在很大程度上降低残余应力，其消除率能够达到 40% 至 80% ，与此它还能对材料的塑性以及韧性起到改善作用，进而稳定结构的尺寸。不过这种方法在能耗方面相对较高，对于大型结构而言，所需的加热设备要求颇为严格，操作起来也有不小的难度。

2.1.2 局部高温回火

局部高温回火是专门针对焊接接头这类局部区域来实施加热处理的一种方式。通过精准地把控加热的具体区域以及所处的温度状况，能够使得局部残余应力得以降低。相比于整体高温回火而言，局部高温回火在能耗方面表现得更为节省一些，特别适合用于大型结构当中局部部位的处理工作。不过在实际操作过程中，加热区域的边缘位置是比较容易出现新的应力集中的情况的，所以对于加热工艺的控制就需要有着极为严格的要求。

2.2 机械处理法

2.2.1 振动时效

振动时效是通过对焊接结构予以周期性的激振力作用，进而促使结构出现共振状况。在这一共振进程当中，原本存在残余应力集中区域的那些微观缺陷会发生塑性变形，如此一来便能够使得残余应力得以降低。振动时效所使用的设备较为简单，其成本也相对较低，并且处理所需的时间周期较短，对于环境也不会造成污染，同时它还能够在一定程度上提升焊接结构的疲劳寿命。经过相关研究可以发现，倘若能够合理地去选择振动参数，那么振动时效就能够让残余应力降低的程度达到 20% 至 50% 。

2.2.2 喷丸处理

喷丸处理是一种通过让高速弹丸去撞击焊接表面来实现的处理方式，如此一来，表面层就会出现塑性变形的情况，进而形成残余压应力层，部分残余拉应力也就此得以抵消。喷丸处理能够提升焊接结构表面的疲劳强度以及抗应力腐蚀性能。弹丸的材质、直径、喷射速度还有喷射角度等诸多参数都会对喷丸效果起到关键作用，适当地对这些参数做出调整，喷丸处理便能够有效地对焊接残余应力分布加以改善，然而对于内部残余应力的消除效果却颇为有限。

2.3 采用先进焊接技术

激光焊接、电子束焊接这类先进的焊接技术，其具备能量密度颇为可观、热影响区域相对较小的优势特点，能够切实有效地将焊接残余应力减少。在实施激光焊接操作时，焊缝会呈现出快速熔化以及随后快速凝固的状态，此时的热影响区宽度较为狭窄，相应的残余应力水平也会处于较低的程度。除此之外，像激光 - 电弧复合焊接等这类复合工艺，把激光与电弧各自所具有的优点很好地结合起来，在确保焊接质量能够达标的情况之下，还能更进一步地促使残余应力得以降低。

结论

碳钢焊接残余应力的分布规律会受到多种不同因素的影响，其产生的具体机制也比较复杂，而且对于焊接结构的性能而言，其危害较大。就当下情况来看，在消除碳钢焊接残余应力上，热处理法、机械处理法以及焊接工艺优化法等都取得了一定程度的进展，不过每一种方法都会有自己的优点与缺点，同时也有着各自的适用范围。在实际的工程应用过程中，需要依据具体的实际状况来综合地去考量，进而选择出更为合适的方法，以此来有效地降低残余应力，促使焊接结构的质量以及可靠性得以提升。未来，随着材料科学以及制造技术不断地向前发展，希望开发出那种更为高效、更加节能且更为环保的残余应力消除方法，从而进一步提升碳钢焊接的技术水平。

参考文献：

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