焊接應力變形原理若干問題的探討

摘要：金屬結構在常溫情況下是穩定的，但在焊接過程中，受熱部位會產生焊接應力和變形，如不對此情況展開控制措施，就不能夠保證產品質量，甚至使產品報廢。傳統的焊接工藝中會產生多種很難避免的質量問題，如何發展采取措施減小在焊接過程中不產生焊接應力和焊接變形，在現實中具有非常重要的意義。

關鍵詞：焊接應力;變形原理;問題探討

1.焊接應力與焊接變形產生的原因

與焊接接頭區產生的縮短不協調應變相對應在構件中會形成自身相平衡的內應力，即為焊接應力。焊接接頭區金屬在冷卻到較低溫度時，材料恢復到彈性狀態;此時若有金屬組織變化，則伴隨體積變化出現相變應力。

焊接熱輸入引起材料不均勻加熱，使焊縫區熔化，在熱傳導作用下致使焊接接頭形成了高溫區，材料的發生熱膨脹則受到周圍母材形成的低溫區域的限制，產生不均勻的壓縮塑性變形;在冷卻過程中已產生的壓縮塑性變形的這部分材料又受到周圍材料的限制而不能自由收縮，不同程度上又被拉伸而卸載;與此同時熔池凝固金屬冷卻收縮也產生相應的應力與變形，也就是高溫焊縫區受到拉應力，在焊接接頭區產生了縮短的不協調應變。

2.焊接應力的危害

在溫度、時間等的作用下焊接應力會逐漸變低，這種降低容易造成焊接件的整體形狀、尺寸發生一些變化。因受阻而發生焊接區收縮的拉應變，當其超出該材料的承受范圍時，則會在焊接區造成裂紋焊接區的應力狀態往往復雜多變，且峰值往往很高，在高應力區常常發生過塑性拉伸，降低材料的塑性及工件的抗疲勞強度。這對承受動載荷的結構危害很大。應力腐蝕速度受到拉應力的影響會加快。

3.消除焊接應力的方法

3.1控制焊接應力的產生

通常采用的工藝措施有：預熱法。因為通常被焊部件各部位的溫差越大，焊縫的冷卻速度越快。那么焊接接頭的殘余應力就越大。預熱既能減小工件各部位的溫差，又能減緩冷卻速度。它是降低焊接殘余應力的有力措施之一;采用合理的焊接次序。是盡量使焊縫能比較自由的收縮，尤其是對那些收縮比較大，殘余應力比較大的焊縫。

3.2消除焊接應力的措施

焊接過程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接規范參數，選擇合理的焊接順序以及采用隨焊兩側加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施。采用隨焊兩側加熱，橫向應變、縱向應變和最大剪切應變的分布更加均勻，變化更加平緩，起到減小焊接殘余應力和變形的作用。采用隨焊碾壓、隨焊兩側加熱、隨焊跟蹤激冷等措施可以降低殘余應力和減小焊接變形。選擇線能量較低的焊接方法以及合理地控制焊接規范參數可以有效地防止焊接變形。隨焊激冷法能夠顯著地降低殘余應力和減少焊接變形[1]。隨焊碾壓法由于設備復雜、使用不便等原因，在生產應用中受到一定的限制，但該方法在提高焊接變形等方面具有理想的效果。焊接順序對焊接殘余應力和變形的產生影響較大，在采用不同的焊接順序時，可以改變殘余應力的分布規律?，但對殘余應力整體幅值的降低作用不大，同時該方法對于控制焊接變形有較大的作用，尤其在多道焊中，作用更加明顯。

4.焊接變形的控制措施

4.1選擇合理的焊縫以消除焊接變形的影響

整個焊接過程中是至關重要的一步就是焊縫的設定，對于相同材質的母材來講，焊縫留的空隙過大，會消耗過多的焊材，同時對于焊接的質量也會有所影響，焊材的密度一般要低于母材，這樣對于構件的穩定性也會造成影響。基于不同母材的結構參數，也就是幾何形狀以及板材厚度等因素，綜合考慮其焊縫所帶來的影響。如果焊縫留得過小，那么對于冷卻時間就會過快，不利于焊接，對于焊接的力學性能和粘合性都會產生質量性的影響[2]。

4.2預先留出保證焊縫能夠自由收縮的余量

4.2.1采用“冷焊”的方法

這種方法的原則是使整個結構上的溫度分布盡可能均勻，即要求焊接部位這個“局部”的溫度應盡量控制得低些，同時這個“局部”在結構這個“整體”中所占的面積范圍應盡量小些。

4.2.2開緩和槽減小應力法

厚度大的焊件剛性大，焊接時容易產生裂紋，在不影響結構強度性能的前提下，可以采用在焊縫附近開緩和槽的方法來減小焊接應力，避免裂紋的產生。

4.2.3采用加熱減應區法

這種方法又稱為加熱去除約束法。就是加熱那些阻礙焊接區自由伸縮的部位既減應區，使之與焊接區同時膨脹和同時收縮，起到減小焊接應力的作用。

5.對于焊接變形的矯正

局部熱矯正多采用火焰對焊接構件局部加熱，在高溫處，材料的熱膨脹受到構件本身剛性制約，產生局部壓縮塑性變形，冷卻后收縮，抵消了焊后部位的伸長變形，達到矯正目的，火焰加熱法采用一般的氣焊焊炬，不需要專門的設備，方法簡便靈活，因此在生產上廣為應用。?整體熱矯正是指將整體構件加熱至鍛造溫度以上再進行矯正的方法，可用以消除較大的形狀偏差[3]。但是焊后整體加熱容易引起冶金方面的副作用，限制了該方法的進一步推廣及應用。?此外，還有利用機械力或沖擊能等進行焊接變形矯正，包括靜力加壓矯直法、焊縫滾壓法、錘擊法等。

6.結束語

焊接熱輸入的不均勻產生的壓縮塑性變形是產生焊接應力與變形的根本原因;工藝因素和結構因素構成焊接應力和變形產生的外部拘束條件。本文通過對焊接的原理在對其基本結構和物理性質方面，對焊接過程中產生的焊接應力的產生和焊接變形提出了一些改良方式，正確編制焊接工藝，采用合理有效的焊接方法和預防控制措施，減小焊接變形和焊接應力。同時本文也針對已經焊接變形提出一些矯正措施，這對于后期產品的使用是十分必要的。

參考文獻：

[1]劉洪林.焊接應力與焊接變形的產生原因與控制措施[J].?科技信息.2012.01：222+177.

[2]陳鋒.焊接工藝對不銹鋼焊接變形的研究[D].上海交通大學.2009.

[3]趙小娜.淺談焊接應力與焊接變形產生的原因及控制措施[J].科技創業家.2013.16：68.

作者簡介：孔凡玉（1973.7.15-），中海油能源發展裝備技術有限公司，大本，工程師。