摘要：焊接残余应力产生的原因是由于高度集中的焊接热输入引起的材料不均匀局部加热，产生了不均匀的弹塑性变形。焊接残余应力的产生就是由加热和冷却时的热应力变化以及塑性变形确定的。焊接残余应力和焊接变形会严重影响制造过程本身和焊接结构的使用寿命。因此，最大限度降低甚至消除焊接残余应力具有很重要的意义。
关键词：残余应力；高温焊接；疲劳强度；腐蚀速率；金相组织
本文采用一种新工艺——重型机械中厚板埋弧焊焊接工艺。即在焊接前将母材金属在加热炉中加热至一定温度，使其受热均匀，并保持此温度对试件进行焊接，焊后立即进行保温缓冷至室温。本实验中将1.25Cr0.5Mo钢板分别在550℃、650℃、750℃、850℃下进行焊接，焊后保温返冷。其后通过小盲孔法测量试件的残余应力值，与常温下焊接的试件的焊接残余应力值进行比较。此后，对五组试件进行疲劳强度、腐蚀速率的测量，并观察金相。
1 焊接工艺
1.1 焊接工艺方法
本课题研究的焊接工艺方法由于焊接时的瞬时热输入而使材料内部产生了温度梯度，为了减小温度梯度，采取了高温焊接的方法。即在焊接前将母材加热，并使其均匀受热至一个较高的温度，然后保持此温度基本恒定，在此条件下进行焊接，尽量减小试件各部位的温度梯度，从而降低甚至消除焊接残余应力。
本课题选用1.25Cr0.5Mo钢为试验材料，采用高温焊接的工艺方法，分别在常温下、550℃高温、650℃高温、750℃高温和850℃高温下进行焊接，焊接进行保温缓冷，以达到降低甚至消除焊接残余应力的目的。焊接完成后，通过测量试件的焊接残余应力、疲劳寿命、抗腐蚀能力及观察金相组织性能【3】，将高温焊接的试件与常温下焊接试件进行对比分析。实验证明采用高温焊接的工艺方法可以有效降低焊接残余应力，提高了材料的疲劳寿命、抗腐蚀能力及组织性能，真正提高了焊接结构的使用性能。
焊接工艺已经在电力、造船、锅炉、石油化工、金属结构、车辆制造、航天、航空、原子能、机器制造、海洋开发、电子技术等领域中广泛应用。焊接结构的特点之一就是会产生较大的焊接残余应力与焊接变形。焊接残余应力与焊接变形会严重影响到制造过程本身及焊接结构的使用性能，焊接残余应力会使焊缝部位产生裂纹甚至完全断开。因此，应该采取各种有效的措施调整或者消除焊接残余应力及焊接变形。而如何最大程度地降低甚至消除焊接残余应力，提高构件的疲劳寿命、抗腐蚀能力、提高其安全性能，对工程界来说具有重大的意义。
1.2 研究高温焊接方法的必要性
在焊接过程中由于高度集中的瞬时热输入而引起了材料不均匀的局部加热，导致在物体内部产生了不均匀的弹塑性变形，这在焊后会产生很大的焊接残余应力，而焊接残余应力会对焊接结构或者焊接部件的脆性断裂强度、疲劳强度、压曲强度、震动特性和抗腐蚀性等重要性能都会产生很大影响。此外，焊接残余应力还会严重影响焊件结构的机加工精度及构件尺寸的稳定性，因此，焊接残余应力的存在会严重影响制造过程本身和焊接结构的使用性能。
试件在焊接过程中由于焊接区域的收缩受阻而产生拉应变，如果此应变超过了材料的最大拉应变，就会产生断裂的拉应变，导致产生裂纹，如果焊接残余应力与焊缝中的氢结合，就会导致热影响区的硬化，以致产生冷裂纹和延迟裂纹，使结构产生脆性断裂；另外，焊接残余应力还会导致金属的抗疲劳强度和塑性的降低，而且压缩的焊接残余应力还会减小稳定性的极限，这些影响都会对构件造成危害。焊接残余应力还是焊接构件产生变形、开裂等工艺缺陷的重要原因。所以如何最大限度地降低或消除焊接残余应力，是工程界必须面临的一个重大实际问题。
2 调整与消除焊接残余应力的方法与措施
2.1 调整与消除焊接残余应力的方法
焊接残余应力的产生，主要是因为焊接过程中近焊缝区域形成了压缩的塑性变形。因此，只有使近焊缝区产生适当的塑性变形，才能有效的调整与消除焊接残余应力。调整与消除焊接残余应力的方法很多，目前主要有三种方法来控制焊接残余应力：一种是焊后热处理（简称 PWHT）；另一种是温差形变法；三是力学形变法。
（1）焊后热处理是目前用的最多也是最主要的方法。它是将焊接构件局部或是整体加热到一定温度后进行焊接，此温度不能超过相变温度，焊后需要保温缓冷。影响焊接残余应力的因素有：热处理温度、加热及冷却的速度、加热方法、加热区域的面积、保温时间等。加热温度不能超过材料的相变温度，否则引起金相组织的变化也会影响残余应力值。通常焊件尺寸较小时，应在加热炉内进行热处理，但当焊件较大，则需将焊件移至炉外，放置在能保持温度的加热器上进行处理。焊后热处理不仅能有效的消除焊接残余应力，还能使构件的焊接区域材质得到有效的改善。此外，它还能有效降低热影响区的硬度，释放焊接接头中的氢以防止氢致裂纹，提高抗应力腐蚀的能力，延长构件的疲劳寿命等。然而，焊后热处理也有一定的缺点：降低抗拉强度及屈服强度、降低焊接缺口的韧性、产生热应力裂纹、再热裂纹等。
（2）温差变形法就是利用热膨胀量的差别使金属材料产生伸长的形变，主要包括有低温拉伸与逆焊接温差处理两种方法。它是在焊缝两边合适的宽度范围内加热，再适当距离内冷却，形成焊缝区温度低、焊缝两侧温度高的温度场，金属材料受热膨胀对低温的焊缝区产生拉伸的塑性变形，从而达到消除残余应力的目的。
（3）力学变形法是通过对焊接后的构件加载，使其产生拉伸的塑性变形，来降低构件的内应力。通常包括有振动法、爆炸处理、锤击等。振动调整焊接残余应力处理是指当振动引起的动应力和残余应力相叠加，超过了材料的屈服极限时，会产生应力松弛，残余应力值就会降低。振动处理的效果受构件的几何尺寸、质量及振激工艺的影响，但对稳定结构尺寸很有效。焊炸处理是近些年来一种新的消除残余应力的工艺。它是以适量的炸药置于焊接构件上的焊缝处附近区域内引爆，利用冲击波使金属产生适当的塑性变形，从而达到消除残余应力的目的。
2.2 调整与消除焊接残余应力的措施
除了在积极研究焊接方法来调整与消除焊接残余应力，还应在焊接过程中采取相应的工艺措施来调节与控制残余应力的产生和发展。主要可分为设计措施、选材措施和制造工艺措施。（1）设计措施上要尽可能缩短焊缝的长度；板厚与焊脚要尽可能最小、优先选用断续焊缝与角焊缝；对接焊缝连接的构件在垂直焊缝方向上应有较大的可变形长度；复杂的结构最好分部件组合焊接。（2）材料的选择上要在相应的设计与制造的情况下适于焊接，要有足够适应塑性变形的能力。其弹性模量、屈服极限、熔化温度、热膨胀系数及热扩散率都要符合焊接条件。（3）工艺的选择上要采用合理的焊接顺序、尽量减小焊接接头的钢度采用加热减应区法来达到控制焊接残余应力的目的。
3 结论
综上所述，物体内部产生的不均匀弹塑性形变是产生焊接残余应力的根本原因，而焊接过程中的不均匀弹塑性形变主要是加热和冷却过程中物体各部分温差所致，通过在高温条件下的焊接使物体各部分温差达到最小，从而有效控制物体内部的不均匀弹塑性形变，以达到减小甚至消除焊接残余应力的目的。
参考文献
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