焊接變形與殘余應(yīng)力成因及控制措施探析

曹士其

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)的焊接過程實際上是在焊件局部區(qū)域加熱后又冷卻凝固的熱過程，但由于存在不均勻的溫度場，導(dǎo)致焊件不均勻地膨脹和收縮，從而使焊件內(nèi)部產(chǎn)生焊接應(yīng)力而引起焊接變形。本文依據(jù)焊接工藝教學(xué)的需要，探討焊件殘余應(yīng)力與焊接變形成因及控制措施。

關(guān)鍵詞：焊接變形？殘余應(yīng)力？成因？控制措施

在焊接工藝教學(xué)中，由于焊縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的缺陷和內(nèi)部應(yīng)力的釋放，焊件將產(chǎn)生焊縫裂縫。同時，焊件受到不均勻的電弧加熱，由于受熱區(qū)域的金屬膨脹程度不同，產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力和變形，當(dāng)焊接完畢待焊件完全冷卻時，剩余的內(nèi)應(yīng)力和變形殘存在構(gòu)件內(nèi)部，形成殘余應(yīng)力和變形。為此，筆者探討焊件殘余應(yīng)力與焊接變形成因及控制措施。

一、焊接內(nèi)應(yīng)力種類的教學(xué)分析

焊接后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力為焊接應(yīng)力，根據(jù)其空間位置和相互關(guān)系可分以下幾種。

1.單向應(yīng)力

在焊接薄板的對接焊縫以及在焊件表面上堆焊時，焊件存在的應(yīng)力是單方向的。

2.雙向應(yīng)力

在焊接較厚板的對接焊縫時，焊件存在的應(yīng)力雖不同向，但均在一個平面內(nèi)，即應(yīng)力是雙向的。

3.三向應(yīng)力

當(dāng)焊接厚大焊件的對接焊縫時，焊件存在的應(yīng)力是沿空間三個方向作用的。

當(dāng)焊縫中存在雙向應(yīng)力和三向應(yīng)力時，焊縫金屬的強度和沖擊值都要顯著下降，容易產(chǎn)生裂縫。因此，當(dāng)焊接件厚度≥25mm時，焊后一般應(yīng)對焊件進行熱處理，以消除三向應(yīng)力。

二、焊件殘余應(yīng)力分布及對焊接結(jié)構(gòu)的影響

焊接殘余應(yīng)力和變形產(chǎn)生的主要原因是焊接時的不均勻加熱，受到焊接殘余應(yīng)力的焊縫金屬，其收縮變形有以下幾種情況。

1.縱向焊接殘余應(yīng)力分布

長板對接接頭焊縫處受熱溫度較高，因此焊縫金屬有較大伸長，離焊縫金屬較遠(yuǎn)的部位溫度較低，伸長則較小。

2.橫向焊接殘余應(yīng)力分布

對接焊縫的橫向收縮所引起的橫向應(yīng)力分布比較復(fù)雜。在焊接結(jié)構(gòu)中，焊接殘余應(yīng)力與變形之間的關(guān)系是一對矛盾的兩個方面。如果在焊接過程中焊件能夠自由地收縮，則焊件的變形較大而焊接應(yīng)力較小，而如果焊件受外界約束或自身剛性較大不能自由收縮，則焊后變形較小，但內(nèi)部卻存在較大的焊接殘余應(yīng)力。

3.焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響

焊接后的殘余應(yīng)力和變形超過允許范圍，則會使結(jié)構(gòu)承受載荷的能力降低，或使其外形受到影響，主要表現(xiàn)為以下四方面。一是對焊接結(jié)構(gòu)強度的影響。焊接殘余應(yīng)力的存在將明顯降低脆性材料結(jié)構(gòu)的靜載強度。二是對構(gòu)件加工尺寸精度的影響。三是對受壓桿件穩(wěn)定性的影響。四是對疲勞強度的影響。

三、消除或減小焊接殘余應(yīng)力和變形的措施

結(jié)構(gòu)復(fù)雜的板材結(jié)構(gòu)，如果在焊接時不采取一定的措施，便容易產(chǎn)生變形，變形影響結(jié)構(gòu)外表美觀，降低結(jié)構(gòu)強度。

1.減小焊接變形的措施

（1）設(shè)計措施減小焊接變形。一是盡量減少結(jié)構(gòu)上焊縫的數(shù)量和焊縫尺寸，二是避免焊縫過分集中，三是采用剛度較小的接頭形式。

（2）采用合理的裝配焊接順序和方向減小焊接變形。一是盡可能考慮焊縫的自由收縮，對于大型結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)從中間向四周對稱進行。二是收縮量大的焊縫先焊，因為先焊的焊縫收縮時受阻較小，殘余應(yīng)力就比較小。三是采取對稱焊接，對于剛性大而斷面對稱的構(gòu)件，在施焊時可采用對稱的焊接程序，這對于保證構(gòu)件得到最小的彎曲變形是十分有利的。四是采用焊縫的不同焊接法，在焊接長焊縫（≥1m）時，可采用分段退焊法、跳焊法、交替焊法；對中等長度（0.5～1m）的焊縫可采用分段對稱焊法。

2.消除或減小焊接殘余應(yīng)力的措施

（1）減小焊縫尺寸。在滿足設(shè)計要求的條件下，不應(yīng)加大焊縫尺寸和層高，要轉(zhuǎn)變焊縫越大越安全的觀念。

（2）減小焊接拘束度。拘束度越大，焊接應(yīng)力越大，所以盡可能不用剛性固定的方法控制變形，以免增大焊接拘束度。

（3）采取合理的焊接順序。在焊縫較多的組裝條件下，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件外形和焊縫的布置，采取先焊收縮量較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫；先焊拘束度較大而不能自由收縮的焊縫，后焊拘束度較小而能自由收縮的焊縫的原則。

（4）降低焊件剛度，創(chuàng)造自由收縮的條件。

（5）錘擊法減小焊接殘余應(yīng)力。在每層焊道焊完后立即用圓頭小錘敲渣或用電動錘擊工具均勻敲擊焊縫金屬，使其產(chǎn)生塑性延伸變形，并抵消焊縫冷卻后承受的局部拉應(yīng)力。

總之，在教學(xué)過程中我們一定要了解焊接工藝，在實踐中不斷總結(jié)、積累焊接經(jīng)驗，綜合分析考慮各種因素，以保證工程中的焊接質(zhì)量。

（作者單位：浙江省機電技師學(xué)院）