焊接應力和焊接變形控制的研究

羅毓彪

（十一冶建設集團安裝公司加工廠 廣西柳州 545007）

引言

在中國制造向中國創造發展過程中，焊接已經從傳統熱加工技術得到創新與改革，逐漸發展為集冶金、材料、結構、電子機械等多門科學為一體的綜合性工程工藝類學科，在工藝制造加工、建筑建設施工、設備安裝等眾多領域得到廣泛應用。因此，就構件加工中的焊而言，焊接質量的好壞對整個構建加工質量、構建精密度存在直接影響。而焊接質量的好壞主要體現在焊接應力與焊接變形上。對此，加強焊接應力與焊接變形的研究，實現焊接應力與焊接變形的科學管控，勢在必行。

1 焊接應力與焊接變形

焊接應力（welding stress and distortion）：在焊接過程中，在焊接熱源與焊接熱循環作用下，導致被焊工件在不均受熱情況下產生的內應力，被稱之為“焊接應力”。通常情況下，當焊接引發的不均勻溫度場沒有完全消失時，被焊工件產生的內應力被稱之為“瞬態焊接應力”；當焊接引發的不均勻溫度場完全消失后，被焊接工件產生的內應力被稱之為“殘余焊接應力”[1]。就焊接殘余應力而言，根據被焊工件內應力所在方位對，焊接應力進行劃分，通常情況下可將其劃分為如表1所示的幾種類型。

表1 焊接殘余應力的類型與影響

焊接變形（welding deformation）：在焊接過程中，被焊工件在受到不均勻溫度場影響時，焊件的形狀、尺寸等將發生一定的變化，我們將這種變化稱之為“焊接變形”。通常情況下，在不均勻溫度場沒有全部消失時，隨著溫度變化而發生變化的變形可稱之為“焊接瞬時變形”；在不均勻溫度場完全消失后，焊接冷卻至初始溫度后的變形，可稱之為“焊接殘余變形”[2]。基于經驗總結與歸納，焊接變形類型與表現形式如表2所示。

表2 焊接殘余應力的類型與影響

2 影響焊接應力與焊接變形的因素

由焊接應力與焊接變形內涵分析可知，在焊接過程中導致被焊工件產生內應力形成焊接應力與焊接變形的根本原因在于焊接的不均勻受熱，以及不均勻受熱引導的構建組織與性能的變化。而導致焊接過程中導致不均勻受熱現象產生的因素，主要表現在以下幾個方面：

（1）焊縫橫截面積：焊縫橫截面積主要是對焊件在焊接過程中，其熔合線范圍內金屬面積的統稱。通常情況下，焊縫面積越大其所形成的焊接殘余應力也就越大，主要原因在于焊縫金屬在受熱后由固態變為液體，在冷卻后由液態轉化為固態時，體積進行收縮，加之焊縫金屬與母材之間存在密切關聯性，對此將導致焊縫殘余應力與變形問題的產生。由于焊縫橫街面積對縱向變形、橫向變形、角變形存在的影響相同，因此在板厚相同時，收縮變形與板坡口尺寸存在密切關聯性。

（2）焊接方法：通常情況下，所選用的焊接方法不同，在焊接過程中所需要的焊接熱量也不同，對此基于不均勻溫度場作用，所形成的焊接變形也不同。

（3）焊接熱量輸入情況：在焊接過程中，當輸入的熱量過大時，其加熱高溫區范圍也就越大，所需要冷卻的時間也就越大，產生焊接應力與變形的機率也就越大，焊接頭的塑性變形區域可能就越大[3]。

（4）焊接層數：通常情況下，多層多道焊接產生的焊接頭變形要小于單層焊接。主要原因在于：多層多到焊接的單層熱輸入量要小于一次單層焊接的熱輸入量，所需加熱的范圍要小，因此冷卻速度相對較快，所產生的收縮變形相應要小，且上一層的焊道會對下一層帶來一定的約束作用，進一步減小焊縫變形。

（5）焊縫接頭形式：在焊接過程中，當焊縫截面積、熱量輸入情況等相一致時，不同的接頭形式對焊縫變形的影響也不同。就表面堆焊而言，堆焊過程中焊縫金屬的橫向變形相對較小，原因在于：加熱僅存在于焊縫金屬表面，焊縫橫向收縮過程中會受到板厚、母材等的約束，從而所產生的橫向變形相對要小；就對接接頭而言，在單焊過程中，由于坡口角度相對較大，在焊接過程中板厚上層收縮量與下層收縮量也存在差異性，對此其所產生的橫向收縮變形要大于比堆焊所產生的橫向收縮變形。

3 焊接應力與焊接變形控制措施與策略——以鋼結構焊接為例

以鋼結構焊接為例，建議采用如下措施與策略實現焊接應力與焊接變形的有效控制。

3.1 焊接應力的控制措施與策略

控制焊接應力的方法有很多，較為常用的方法主要有以下幾種：

（1）采用振動時效法消除焊接殘余應力，實現焊接應力的有效控制。即應用偏心輪與變速電動機構成激振器根據鋼結構外形特征以及產生應力的實際情況，在應力產生部分給予適當的振動，從而使鋼結構產生循環應力，實現構建內部殘余應力的有效消除，提升構建結構的穩定性。

（2）利用間斷焊接法進行焊縫應力的有效控制。例如，在對鋼結構進行電弧冷焊的過程中，對焊縫進行短時間多次數焊接，讓構建始終處于冷卻狀態，從而降低熱源過鋼結構性能的影響，實現焊接應力的有效控制。該方法的缺點在于所需焊接工期相對較長，但焊接應力控制效果相對較好。

（3）對焊縫尺寸進行科學設計，合理安排焊縫焊接順序。即，在焊接過程中，應根據實際情況與要求適當的減小焊縫尺寸、焊縫坡口角度，從而降低焊縫橫截面積對焊縫應力與焊縫變形存在的影響。同時，在焊縫設計過程中，避免焊縫應力集中現象的產生，可盡量采用雙面焊接坡口的形式進行焊接實踐操作。此外，在焊接過程中應遵循“先焊中間，后焊周邊”的原則，進行實踐操作。例如，在鋼板拼接時，應該先對相互錯開的短焊縫進行有效焊接，在進行長焊縫的焊接。在焊接長焊縫時，應從中間向兩端進行依次收縮。

（4）在焊接過程中應適當減小焊縫焊接的拘束度，并對復雜焊接工藝進行分解施工。一般情況下，給予焊接構件的約束力越大，在焊接過程中構件所產生的焊接應力也就越大。對此，在焊接過程中，需根據鋼結構實際情況，適當的降低焊縫處的約束力。例如，在對長構件進行焊接時，應避免在組裝過程中進行焊縫焊接，同時進行板條拼接時需嚴格依據拼接工藝要求進行實踐操作，并在焊縫焊接過程中，避免不能自行收縮問題的產生。在多大型構件進行焊接時，應根據實際情況對構建進行科學分解焊接，用以提升焊接簡便性與準確性[4]。

3.2 焊接變形的控制措施與策略

關于焊接變形的有效控制：①應從焊接設計階段入手，根據構建結構形態、焊接要求等進行焊接施工科學設計。在此過程中應對不同焊接類型及其表現形式、特點具有準確的認知，從而選擇隨適宜的焊接形式進行焊接，科學控制焊縫尺寸，做到焊縫數量最少、尺寸最小、構件結構穩定性影響最低。②科學選擇焊縫位置，在焊接過程中可根據焊縫坡口形態，選擇相適宜的焊接方法，將焊縫位置控制在構件截面對稱位置或者是構件或截面中性軸位置，避免焊縫位置出現在高應力區域范圍內。此外，根據焊接需求科學選擇焊接方法，盡量選用快速焊接法或者是熱源較為集中的焊接法進行操作。

4 結論

總而言之，實現焊接應力與焊接變形的有效控制，對提升焊接質量，促進焊接工藝優化發展具有重要現實意義。對此，在實際焊接操作過程中，相關工作人員需明確認知焊接應力與焊接變形影響因素，根據現場條件與焊接要求、焊接結構采用行之有效的焊接方法與控制措施，實現焊接應力與焊接變形的有效控制，提升焊接科學性、準確性、精準性。

[1]郭鎮渤，王登峰.軌道車鋼結構件焊接變形的原因分析及控制措施[J].中國戰略新興產業，2018（16）：218.

[2]張恩宇.焊接變形的控制及預防措施探究[J].現代鹽化工，2018，45（02）：98～99.

[3]史 慧.鋼結構焊接變形和焊接應力控制分析[J].四川水泥，2017（12）：321+330.

[4]王剛，王海飛.關于焊接變形和焊接應力的探討[J].科技創新與應用，2016（12）：115.