如何控制和減小焊接構件的殘余應力與變形

儲憲斌

金屬結構在焊接過程中,由于受焊接材料、焊接方法、工作環境等因素的影響,再加上焊材受到局部加熱而產生的不均勻溫度場,極易產生焊接殘余應力與變形。焊接殘余應力與變形如果得不到合理控制,就會使焊接產品質量下降,嚴重時還會出現裂紋,甚至產品報廢。

一、焊接殘余應力與變形的形式及產生原因

金屬構件在焊接過程中,由焊接熱過程引起的應力和變形,就是焊接應力和焊接變形。焊后,當焊件溫度降至常溫,殘存與焊件中的應力成為焊接殘余應力,焊件不能恢復的變形就成為焊接殘余變形。

焊接殘余應力主要有縱向應力和橫向應力兩種形式,其產生原因主要是焊接時構件受熱不均勻造成的。由殘余應力造成的殘余變形一般有以下幾種形式:第一,縱向變形,由不同的溫度場和殘余應力造成的縱向縮短。第二,橫向變形,由不同的溫度場和殘余應力造成的橫向縮短。第三,彎曲變形,由于焊縫不在中性軸上造成的。第四,扭曲變形。焊件焊后兩端繞中性軸相反方向扭轉一個角度。第五,角變形。焊后構件兩側鋼板離開原來位置翹起一個角度的變形。第六,波浪變形。一般在薄板焊接結構中產生,有兩種原因:一種是薄板結構焊接時的縱向和橫向壓應力作用,使薄板失去穩定而造成波浪形的變形;另一種是由角焊縫的橫向收縮引起的角變形。

二、影響焊接殘余應力與變形的因素

1.焊縫在結構中的位置

焊縫在結構中布置不對稱時,施焊后要產生彎曲變形,彎曲的方向是朝向焊縫數目多的那一側。焊縫偏離焊件中性軸時,其變形將向焊縫所在的那一側彎曲,而且離中性軸越遠越容易產生彎曲變形。

2.焊接結構的裝配及焊接順序

焊接結構的裝配及焊接順序是否合理,對焊接殘余應力與變形的影響很大,一般情況是對焊接結構總裝后再進行焊接,這樣可以使焊接結構剛性增加,減小焊后變形。但是,對于大型復雜結構件,有時可以分別裝配焊接,然后再拼接成整體,使不對稱的焊縫或收縮量較大的焊縫能比較自由地收縮,組焊時對整體結構的影響就較小,從而控制焊后殘余應力與變形。

3.焊件的剛性

焊件剛性的大小也是影響焊接殘余應力與變形的因素,剛性越大,焊件結構越不易變形。

4.焊接工藝參數

焊接工藝參數主要是指焊接電流和焊接速度,一般焊后殘余應力與變形隨著焊接電流的增大而增大,隨著焊接速度的加快而減小。

5.焊接材料的線膨脹系數

焊接材料的線膨脹系數越大,其焊后變形也越大。另外,焊接方法、焊接方向、坡口形式和材料的自重等都對焊接殘余應力與變形有一定影響。例如,焊接一條直長焊縫,采用同一方向從頭焊到尾的方法,會使熱量分布不均勻,焊件產生的內應力也不同,其焊縫越長,變形也就越大。若采用分段跳焊法,焊后變形就會小一些。

三、防止和減小焊接殘余應力與變形的措施

1.焊件的結構設計要合理

合理的焊接結構是控制和減小焊接殘余應力與變形的基礎和重要措施。因此,設計時一定要考慮以下幾方面:在保證焊接結構有足夠強度的前提下,盡量減小焊縫的數量和尺寸;)盡量對稱布置焊道;必要時預先留出收縮余量;將焊縫布置在最大工作應力之外;適當采用沖壓結構減少焊接結構等。

2.采用合理的裝配和焊接順序

焊接工字梁時,采用先整體裝配成工字梁。此時,梁的剛性增加。然后,采用對稱、分段跳焊的焊接順序,焊后上拱彎曲變形就小得多,反之將產生較大的變形;對稱焊縫應采用對稱焊接,不對稱的應采用先焊焊縫少的一側,后焊焊縫多的一側,使后焊焊縫產生的變形足以抵消先前的變形,以使總體變形減小;結構中的長焊縫,采用連續的直通焊接將會造成較大的變形,而采用分段退焊和跳焊法,能有效地控制熱量過于集中而產生的殘余應力與變形。

3.選擇合適的焊接工藝參數

選擇焊接工藝參數時,應盡可能采用小直徑焊條和較小的焊接電流,減少焊件受熱范圍,以減小焊接殘余應力與變形。

4.采用多種工藝方法

(1)反變形法。焊前先使焊件向焊接變形相反的方向變形,來抵消焊接殘余變形。

(2)剛性固定法。焊前對焊件采取外加剛性約束,使其不能自由變形。

(3)散熱法。焊接時,采用強迫冷卻的方法將焊接區的熱量帶走,使受熱區的面積大為減小,從而達到減小殘余變形的目的。

(4)預熱法。焊前對焊接區域進行加熱來減小焊接時的溫度差,以使焊縫區與焊件整體盡可能地均勻冷卻,從而減少殘余應力與變形。

(5)敲擊法。在焊件冷卻過程中,使它產生塑性變形,來抵消焊縫的一部分收縮量,起到減小焊接殘余應力與變形的作用。

(作者單位:山東省濟寧技術學院)