淺談焊接應力和變形的控制方法

劉春 臧立歡 劉永慶

摘 要：常溫下，金屬結構是穩定的，但在焊接過程中，受熱部位會產生焊接應力和變形，這種情況如不采取措施控制，產品質量將得不到保證，甚至使產品報廢。為有效的控制由于焊接熱過程引起的應力和變形，對焊接應力產生的原因和形成焊接變形的基本規律進行分析，并提出相應的控制措施。

關鍵詞：焊接變形；焊接應力；產生原因；控制措施

一、焊接應力的產生及危害

焊接過程中焊接件熱量傳輸的不平衡產生不均勻的溫度場，使材料產生不均勻的膨脹與收縮，從而形成內應力場。此外，焊件在熱循環的作用下，焊縫內部金屬組織發生變化，產生相變應力。持此之外，剛性固定以及焊接件之間相互關聯，也會產生焊接應力。室溫下，殘存于焊接件中的內應力影響焊接結構的力學性能、受壓穩定性、尺寸穩定性和加工精度等。

二、焊接應力與焊接變形產生的原因

1、焊件不均勻受熱

焊接整體在焊接時溫度是不均勻的，焊接部分溫度高，膨脹量大，同一焊體中，其他部位溫度低，膨脹量小，受此影響，在焊件內出現內應力，使溫度區的材料受到擠壓，產生局部壓應變。在冷卻過程中，已經形成壓應變的材料，由于不能自由收縮而受到拉伸，于是焊件中又出現與焊接加熱時方向大致相反的應力。

2、焊縫金屬的收縮

當焊縫金屬由液態變為固態時，此時由于受冷，體積收縮，而焊縫金屬與母材料是一體的，這便限制了焊體的收縮，這種情況將使整個焊件變形，而且在焊縫中會引起殘余應力。

三、防止和減小焊接變形和應力的措施

1、焊接結構的合理設計

避免焊接殘余變形與應力，需采用合作的設計方案。在焊接結構設計時要考慮到以下事項：焊縫數理和尺寸是引起焊接變形與應力的因素之一，因此，在保證結構有足夠強度的基礎上，應減少其數理、尺寸。在特殊情況下，預留適當收縮余量及使用沖壓結構也是有效措施。

2、合理選擇焊接規范合理選擇焊接規范，對減少焊件變形影響很大。如隨著電流強度的增加，焊件變形相應增大。為了盡量焊接過程中的熱影響，根據實際情況，合適的情況下采用小直徑焊條和小電流焊接，可以減少焊接殘余應力。

3、消除焊接應力的方法

（1） 熱處理法

整體熱處理：消除應力的程度主要決定于材質的成分、組織、加熱溫度和保溫時間。低碳鋼及部分低合金鋼焊接構件在650度，保溫20～40h，可基本消除全部殘余應力。局部熱處理：大型焊接結構，受加熱爐的限制或要求不高時采用這種方法。可采用火焰、紅外、電阻、感應等加熱方式，應保持均勻加熱并具有一定的加熱寬度。低合金高強鋼，一般在焊縫兩側各100-200mm。

（2）機械錘擊法

在長焊縫焊接過程中，趁著焊縫和堆焊層在赤熱狀態，用手錘敲打，可以抵消焊縫的收縮和減少內應力，減小或矯正變形。錘擊施焊部位，可以提高金屬的機械性能和耐蝕性。延展性能較好的金屬，采用這個方法效果較好。對于底層和表面層的焊縫一般不錘擊。錘擊時必須注意選擇合適的溫度范圍。比如鋼鐵材料溫度在300℃-500℃時有藍脆性，也不能進行錘擊。鋁加熱到400℃-500℃時，強度幾乎喪失，此時，錘擊會損壞焊件。含磷高的鋼鐵材料，冷態錘擊時也易產生裂紋。

（3）振動時效法

振動時效作為目前比較常用的一種時效方式，已經越來越多的應用于各個機械制造行業。振動時效適用于碳素結構鋼、低合金鋼、不銹鋼、鑄鐵、有色金屬等材質的焊接結構；可插在任何工序之間多次處理；幾十米長、數百噸重、上千條焊縫的工件都可適用。 具有低能耗、短周期、無污染等優點。

4、控制焊接殘余變形的工藝措施

（1）選著合理的裝焊順序

采用不同的裝配、焊接順序，焊后會產生不同的變形效果。簡單的焊件可以采用先總裝后焊接的控制結構焊后變形的工藝措施。對于結構較復雜的焊件，一般不能整體裝配焊接，而是要將構件適當的分成若干部件，分別裝配、焊接，最后組焊成整體，這要處理，即使是收縮量大、不對稱的焊縫也可以自由收縮，不影響整體效果。

（2）采取合理的焊接順序

對稱焊接：如焊接結構的焊縫是對稱的，首選對稱焊接不對稱焊縫：焊縫少的先烤焊，這樣可以減少焊縫產生的變形采用不同的焊接順序：對于長焊縫，采用連續的直通焊，會造成較大的變形。因此要采用不同的焊接順序來控制變形。其中分段退焊法、分中分段退焊法、跳焊法和交替焊法，常用于長度為1m以上的焊縫；長度為0.5-1m的焊縫可用分中對稱焊法。

（3）反變形法根據理論計算和實踐經

驗，先根據焊件的結構，估計可能會產生的變形方向與大小，在焊接裝配時，加裝一個預置變形，預置變形的大小要與結構焊接變形的一樣，方向相反，加裝這個是為了抵消焊后所產生的變形。

四、結束語

在實際生產中，焊接變形和焊接應力的產生還有很多復雜的原因，但只要了解了焊接工藝，采用合理的焊接方法和控制措施，在實踐中積累經驗，總結工作，綜合的考慮分析各方面因素，使焊接的質量能夠得到保證。

參考文獻：

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