焊接應力與變形

呂鑫+曹陽

（沈陽東方鈦業股份有限公司）

摘 要：隨著社會飛速發展，人們在生活中對化工產品需求量很大，化工廠的大型化工設備需求量逐年增加，化工設備多數是高溫高壓設備，一旦泄露或爆炸，危險性非常高。因此制造化工設備質量要求嚴格，焊接是關鍵工序，直接影響著化工設備的質量。

關鍵詞：焊接應力 變形 焊縫

隨著社會飛速發展，人們在生活中對化工產品需求量很大，化工廠的大型化工設備需求量逐年增加，化工設備多數是高溫高壓設備，一旦泄露或爆炸，危險性非常高。因此制造化工設備質量要求嚴格，焊接是關鍵工序，直接影響著化工設備的質量。

焊接應力與變形往往使焊接產品質量下降，甚至會因無法補救而不得不報廢。

焊接裂紋的產生與焊接應力有密切的關系。焊縫中的殘余應力還會影響承壓類特種設備的使用性能，殘余應力較大的部位往往會發生應力腐蝕或疲勞裂紋。

一般情況下，焊接變形是對焊接質量不利的，但是若掌握了變形的機理和規律，便可控制它并利用它。如利用反變形來校正變形，或通過合理的焊接工藝減少焊接應力的產生。

一、焊接應力及變形的概念

在焊接過程中，工件受電弧熱的不均勻加熱而產生的內應力及變形是暫時的。當工件冷卻后，仍然保留在工件內部的內應力及變形叫殘余應力及殘余變形。我們所說的焊接應力及變形就是指的焊接殘余內應力和焊接的殘余變形。

由于焊接接頭型式、工件的厚度和形狀、焊縫的長度及其位置不同，焊接時會出現各種形式不同的變形。大體上可分為：縱向變形、橫向變形、彎曲變形、角變形、波浪變形及扭曲變形等。

二、焊接變形和應力的形成

焊接變形和應力是由許多因素同時作用造成的。其中最主要的因素有：焊件上溫度分布不均勻；熔敷金屬的收縮；焊接接頭金屬組織轉變及工件的剛性約束等。

1、焊件上溫度分布不均勻

由于電弧的作用，焊件局部被加熱到熔化溫度，焊縫與母材之間形成了很大的溫度梯度。按熱脹冷縮的原理，物體受熱要伸長，不同的溫度其伸長量不同，接頭的高溫區域要求伸長量大而受阻，形成了壓應力；而溫度較低的區域伸長量小的部分因抵抗高溫區的伸長，形成了拉伸應力。

冷卻過程中，熔化金屬的體積要收縮，而接頭以外的母材則限制了它的收縮便在焊縫區形成了拉伸應力，而母材臨近焊縫區承受了壓縮應力。

焊縫及近縫區的高溫時幾乎喪失了屈服強度，在應力的作用下便產生塑性變形，冷卻后，焊件內形成了殘余應力和殘余變形。

2、熔敷金屬的收縮

焊縫金屬在凝固及隨后冷卻過程中，體積要收縮，在焊件內引起變形和應力，其變形和應力的大小取決于熔敷金屬的收縮量，而熔敷金屬的收縮量又取決于熔化金屬的數量。如V型坡口的角變形，就是由于焊縫上部的熔敷金屬的熔敷量多，收縮量大，而焊縫下部的截面小，熔敷金屬的數量小，收縮量也小，上下收縮的不一致而造成的。

3、金屬組織的轉變

在焊接熱循環的作用下，金屬內部顯微組織發生轉變，各種組織的密度不同，便伴隨了體積的變化，處理了組織應力的內應力。

焊接變形和應力還與焊接方法及焊接工藝參數有關。如氣焊時，熱源不集中，焊件上的熱影響區面積較電弧焊大，所有產生的焊接變形和應力也大。又如電弧焊時，電流大或者焊接速度慢導致熱影響區增大，產生的焊接變形和應力也增大。如易淬火鋼在焊接熱循環的作用下由高溫奧氏體（密度0.1275）冷卻后轉變為馬氏體（密度為0.1310），體積變化近10%。

4、焊件的剛性拘束

如果焊接自身的剛性很大，或在緊固的條件下施焊，拘束條件限制了焊件再熱循環作用下的自由伸長和收縮，這可控制焊接變形，但焊件中卻形成了較大的內應力。

四、焊接應力的危害

1、對結構完整性的影響

焊接熱應力可促使焊縫產生熱裂紋，殘余應力導致焊后延遲裂紋的形成。

2、對結構服役性能的影響

焊接殘余應力可以加速疲勞破壞，導致應力腐蝕開裂（包括硫化物引起的開裂和堿脆破壞），產生低溫脆斷破壞，促進材料的腐蝕磨損等，壓縮殘余應力還會造成薄板結構或細長桿件的壓曲失穩，產生面外變形。

五、焊接應力的控制措施

焊接件內殘留有內應力是不可避免的，但可以根據其產生機理和規律尋找一些措施來有效控制它，使之危害程度降至最小。

控制內應力的方法基本要點有兩個：使焊件上熱量盡量均勻和盡量減少對焊縫自由收縮的限制。通常采用的工藝措施如下：

1、合理的裝配與焊接順序

主要是在裝配和施焊的順序安排上盡量使焊縫能自由的收縮，便可有效的控制焊接應力。

（1）先焊變形收縮量較大的焊縫，使基能較自由地收縮。如一個帶蓋板的雙工字鋼構件，由于對接焊縫的收縮量大于角焊縫的收縮量，所以應先焊蓋板的對接焊縫，后焊蓋板和工字梁之間的角焊縫。又如，薄板焊接后收縮量大，厚板焊接后收縮量相對小，先焊的部位焊接變形大，后焊的焊接變形相對小。對于碳鋼和不銹鋼來說，不銹鋼變形大，碳鋼的變形相對小，對于焊接后需要機械加工的部件，要考慮焊接變形量和機械加工余量。

（2）先焊錯開的短焊縫，后焊直通長焊縫。如大直徑的底板，往往采用多塊板材拼接，焊接時，應先焊接較短的縱向焊縫，后焊接長的橫向焊縫。

（3）先焊在工作時受力較大的焊縫，使內應力合理分布。如球罐的現場焊接，采用對稱施焊。減少應力分布。也可以采用分段退焊，避免十字焊縫等方法。避免應力集中。

2、焊前預熱

被焊工件各部位的溫差越大，焊接冷卻速度越快則焊接接頭的殘余應力越大，預熱既能減少工件各部位的溫差，又能減緩冷卻速度，所有是降低焊接殘余應力的有力措施之一。

預熱可局部預熱或整體預熱。對剛性大，厚度大的工件，應整體預熱，這樣降低殘余應力的效果更佳。

除了以上控制應力的方法外，還有在焊接結構設計采取措施。如：堆成布置焊縫、避免封閉焊縫等，以及對阻礙焊接接頭自由收縮的部位加溫，使之與焊縫同步收縮，這種方法稱為”減應法”。

六、消除焊接應力的方法

消除焊接應力的方法主要有：熱處理法，機械法和振動法。

1、熱處理法

焊后熱處理是消除殘余應力的有效方法，也是廣泛采用的方法。它可分為整體熱處理和局部熱處理。

一般是將被焊工件加熱到A1線以下，保溫均溫，再緩慢冷卻，以達到殘余應力消除。

如Q235B，Q345R材料焊后熱處理的溫度一般選為620±20℃。

2、機械法

用機械的方法施加外力使冷卻后的焊縫金屬產生延展，已達到消除應力的目的，這種方法叫機械法消除應力。如錘擊焊縫；在卷板機上碾壓焊縫；對焊接結構實行由控制的過載等都是機械法消除應力的方法。

3、振動法

以低頻振動整個構件以達到消除應力的目的。一般鋼結構件需要消除應力采用。

綜上所述，焊接過程的應力有一定的危害。通過合理的焊接工藝及后續的消除焊接應力的辦法，減少焊接應力，對提高產品質量有很多意義。