淺談焊接應力與變形及控制

黃小軍 馬歡樂

（陜西汽車集團有限責任公司，陜西 西安 710000）

焊接應力與變形往往是是焊接產品質量下降，甚至會因無法補救而不得不報廢，在一般情況下焊接變形時對焊接質量不利的，但是若掌握了變形的機理和規律，便可以利用它并能控制它。

1 焊接應力與變形的基本知識

1.1 應力。內力是指物體受外力作用后所導致物體內部之間相互作用力稱為內力。當構件在物理、化學或物理化學變化過程中，如溫度、金相組織或化學成分等變化時，在物體內也會產生內力。作用在物體單位面積上的內力叫做應力。

1.2 變形。物體的變形是指物體在外力或溫度等因素的作用下，會出現形狀或幾何尺寸的變化。物體產生變形在外力、溫度等外界因素消除后變形也隨后消失，物體可恢復到原來狀態，此種變形稱為彈性變形。外力、溫度等外界因素消除后變形仍然存在，物體不能恢復到原來狀態，此種變形稱為塑性變形。

1.3 焊接應力與焊接變形。焊接應力是焊接過程中及焊接過程結束后，存在于構件中內部的應力。由于焊接過程而引起的構件尺寸的改變稱為焊接變形。

2 焊接應力與變形產生的原因分析

產生焊接應力與變形的原因十多方面的，最根本的原因是焊件受熱不平衡，其次是由于焊縫金屬的收縮、金相組織的變化及焊件的剛性不同影響。另外，焊縫在焊接結構中焊縫分布、焊接方法、焊接電流參數、焊接順序等對焊接應力與變形也有一定的影響，下面重點闡述幾個主要因素。

2.1 焊件的不均勻受熱

焊件的焊接是一個局部的加熱過程，焊件上的溫度分布不均，為了了解不均勻受熱時應力與變形的產生，下面對不同條件下的應力與變形進行分析。

(1)不受約束的桿件在均勻加熱時的應力與變形。依據對變形知識的理解，不受約束的桿件在均勻加熱與冷卻時，其變形屬于自由變形，于是在桿件加熱過程中不會產生任何內應力，冷卻后也不產生任何殘余應力和殘余變形。

(2)受約束的桿件在均勻加熱時的應力與變形。依據對非自由變形知識的理解，受約束的桿件的變形屬于非自由變形，其存在外觀變形，也存在內部變形。

(3)長板條一側加熱（相當于板邊堆焊）引起的應力與變形。如下圖1中a）所示的材質均勻的鋼板，在其邊緣快速加熱。假設鋼板由許多互不相連的窄條組成，則各窄條在加熱時將按溫度高低伸長情況不同，如下圖1中b）所示。在實際上板條是一整體，各板條之間是互相牽連、互相影響的，上一部分金屬因受下一部分金屬的拘束作用而不能自由伸長，會產生了壓縮塑性變形。由于鋼板上的溫度分布是自上而下逐漸降低，于是鋼板產生了向下的彎曲變形，如下圖1中c）所示。

鋼板冷卻后，各板條的收縮應如下圖1中d）所示。實際上鋼板是一個整體，上一部分金屬要受到下一部分的拘束而不能自由收縮，于是鋼板產生了與加熱時相反的殘余彎曲變形，如下圖1中e）所示。同時在鋼板內產生了如下圖1中e）所示的殘余應力，即鋼板中部為壓應力，鋼板兩側為拉應力。

在日常生產中的焊件情況同上述第三種情況，焊后焊件既有焊接應力存在，同時又會產生焊接變形。

圖1 鋼板邊緣一側加熱和冷卻時的應力及變形

2.2 焊縫金屬的收縮。焊縫金屬冷卻時，焊縫由液態轉為固態過程中焊縫體積會產生收縮。由于焊縫金屬與母材是緊密相連的，焊縫金屬冷卻收縮造成整個焊件產生一定變形，會在焊縫中產生殘余應力。同時一條焊縫不會在同一時間形成的，焊縫中先結晶的部分要阻止后結晶部分的收縮，自然會產生焊接應力與變形。

2.3 金屬組織的變化。鋼在加熱及冷卻過程中發生內部相變，會生成不同的組織，由于組織的不同，性能也存在差別，故此也會造成焊接應力與變形。

3 焊接應力與變形控制措施

3.1 設計措施。（1）盡可能減少結構上焊縫的數量和焊縫尺寸。焊縫越多內應力源越多；焊縫尺寸的大小直接關系到焊接時受熱區大小。焊縫的數量及尺寸會引起構件殘余應力與變形的壓縮塑性變形區域面積大小。（2）合理的焊縫分布，焊縫間相隔一定的距離。焊縫過分集中會引起應力分布不均勻，自然會出現多向應力復雜情況。（3）采用剛性較小的接頭形式。

3.2 工藝措施。（1）焊前預熱法。在施焊前對焊件預熱，使焊件整體或局部加熱到一定溫度。對重要構件的焊接、合金鋼的焊接及厚部件的焊接，都要求在焊前必須預熱時，一般采用焊前預熱法。（2）過程加熱法。焊接過程中加熱那些拘束焊接區自由伸縮的部位，使之與焊接區同時膨脹和同時收縮，使構件焊接應力減小。（3）焊后熱處理。在焊接完成后對焊件整體或局部進行熱處理，使接頭的金相組織得到改善，提高了焊接接頭的塑性、韌性，從而改善了焊接接頭的綜合機械性能，消除焊接應力的目的。（4）冷焊法。冷焊法是通過減少焊件受熱來減小焊接部位與結構上其它部位間的溫度差。具體操作是盡量采用小的熱量方法施焊，選用小電流、熔深淺、短段、斷續分層焊，錘擊焊縫除應力施工方式。（5）降低焊縫的拘束度。平板上鑲板的封閉焊縫焊接時拘束度大，焊后焊縫縱向和橫向拉應力增大，很容易產生裂紋。降低其殘余應力，應設法減小該封閉焊縫的拘束度。（6）合理的焊接施工。合理進行裝配焊接順序施工就是使每條焊縫盡可能自由收縮的焊接順序：1）在一個平面上焊接時應保證焊縫的兩個方向收縮都不受拘束；2）先焊收縮量大的焊縫；3）先焊構件受力最大的焊縫。

4 小結

以上主要對焊接變形與應力的基本知識、形成基本原因作了介紹，控制措施沒有介紹具體方法，隨著工業水平發展控制辦法更加多樣。

[1]“金屬工藝學”鄧文英 郭曉鵬高等教育出版社2008.12

[2]陳祝年.焊接工程師手冊北京：機械工業出版社，2010