金屬材料焊接應(yīng)力與變形控制分析

呂威

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1 焊接應(yīng)力與焊接變形產(chǎn)生的原因分析

1.1 焊接構(gòu)件溫差較大

焊接時(shí)焊縫高溫區(qū)域?qū)е抡麄€(gè)周邊溫度不斷發(fā)生變化，受環(huán)境溫度等因素影響，構(gòu)件產(chǎn)生局部溫度較大問題，這是導(dǎo)致應(yīng)力和變形的最主要原因。焊接時(shí)焊縫金屬熔化，導(dǎo)致焊縫區(qū)溫度相對(duì)較高，而焊縫區(qū)周圍金屬溫度相對(duì)較低，則焊接過程產(chǎn)生了相對(duì)較大的區(qū)域溫差，構(gòu)件內(nèi)部溫差較大，導(dǎo)致構(gòu)件整體的不規(guī)律膨脹和收縮，構(gòu)件在局部拉應(yīng)力和壓應(yīng)力作用下不能自由膨脹。當(dāng)金屬材料受到的拉或壓應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度臨界點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生塑性變形。焊件逐漸冷卻時(shí)，因受熱的部分金屬已產(chǎn)生了塑性變形，則會(huì)出現(xiàn)被加熱區(qū)域金屬構(gòu)件長度縮短情況，但其周邊未受加熱影響的部分金屬又會(huì)阻礙它的縮短，這樣會(huì)導(dǎo)致整體構(gòu)件的不均勻受力，就會(huì)在整體金屬構(gòu)件中產(chǎn)生應(yīng)力。

1.2 焊縫金屬的收縮

焊縫金屬從高溫到冷卻過程中，根據(jù)熱脹冷縮原理，體積會(huì)收縮。隨著溫度變化，構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形和應(yīng)力。焊縫的收縮會(huì)對(duì)焊縫區(qū)金屬產(chǎn)生壓應(yīng)力，焊縫區(qū)周圍金屬產(chǎn)生拉應(yīng)力，兩種應(yīng)力作用下導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)件局部的不規(guī)則受力而出現(xiàn)凸凹不平變形。焊縫金屬的收縮量主要受控于熔化金屬的數(shù)量，即高溫區(qū)域的占比影響，所以采用的構(gòu)件坡口形式對(duì)焊接變形影響比較大。

1.3 焊縫金屬的組織變化

焊縫金屬在施焊達(dá)到熔點(diǎn)融化開始，隨著焊接過程焊縫區(qū)域金屬融合了兩個(gè)焊件及焊材的材料，從熔點(diǎn)高溫冷卻到常溫，金屬內(nèi)部材料組織會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，隨著金屬材料含量不同，焊縫金屬冷卻后會(huì)發(fā)生體積變化，但在周圍沒有組織變化的金屬則會(huì)產(chǎn)生限制作用力，則會(huì)產(chǎn)生構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力[1]。

1.4 焊件的剛度

金屬構(gòu)件在焊接過程中會(huì)約束部分金屬變形，剛性不同的焊接結(jié)構(gòu)件，焊后變形的情況也不同。如采取工裝胎具固定后焊接，由于工裝的限制，焊件不能隨溫度的變化自由膨脹和收縮，就會(huì)有效地減少構(gòu)件變形，但同時(shí)會(huì)增大焊接應(yīng)力。

2 焊接應(yīng)力的控制

2.1 合理的設(shè)計(jì)措施

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在焊接上應(yīng)盡量減少焊縫數(shù)量，盡量減少焊接量來達(dá)到控制結(jié)構(gòu)件應(yīng)力的目的，根據(jù)焊件的面積、厚度、合理安設(shè)計(jì)焊縫量和坡口型式。焊縫盡量對(duì)稱，避免密集和交叉焊縫。盡量利用型材代替板材進(jìn)行焊接，以減少焊縫條數(shù)。

2.2 工藝對(duì)策

（1）采用合理的焊接順序和方向。金屬材料在焊接前，應(yīng)主要排除焊縫的縱、橫向不能自由收縮限制因素，合理安排焊接順序和方向，可采用從中間向兩端進(jìn)行施焊，對(duì)于復(fù)雜的如箱罐底板縱橫交錯(cuò)的對(duì)接焊縫應(yīng)整體來考慮焊接順序，從中部向外、先短后長焊縫、先交叉焊縫、對(duì)稱退焊等綜合方法，利于各道焊縫的自由收縮。收縮量最大的焊縫要先進(jìn)行施焊，對(duì)于有對(duì)接焊縫和角焊縫的結(jié)構(gòu)，對(duì)接焊縫收縮量相對(duì)較大應(yīng)先焊，先焊的收縮阻力小、應(yīng)力小[2]。

（2）降低焊縫的拘束度。在焊接受結(jié)構(gòu)局限而造成相關(guān)的封閉焊縫拘束度較大，例如箱罐環(huán)縫的最后封口焊接，以及拘束度大而易產(chǎn)生變形的結(jié)構(gòu)，就要根據(jù)情況事先采用剛性固定法、反變形法及焊前預(yù)熱焊后緩冷等措施來控制結(jié)構(gòu)焊接時(shí)的局部拘束度，釋放局部應(yīng)力控制變形，控制整體結(jié)構(gòu)變形的目的。

（3）錘擊焊道法。在施焊過程同時(shí)，采用手錘等工具錘擊焊縫，可起到熔池焊縫應(yīng)力均衡作用，使焊縫收縮及周邊金屬膨脹應(yīng)力均衡，讓焊縫區(qū)金屬得到有效延展。但錘擊力度應(yīng)適當(dāng)，避免過力產(chǎn)生裂紋。錘擊適用于多層多道焊縫，在打底層和表面層不宜使用。

（4）加熱減應(yīng)法。在焊件的減應(yīng)區(qū)加熱使金屬材料膨脹而延長，加熱區(qū)的延長可以帶動(dòng)焊接區(qū)產(chǎn)生與焊縫方向相反的變形。這樣，在加熱區(qū)冷卻收縮時(shí)，焊縫就可以自由地收縮，達(dá)到減少內(nèi)應(yīng)力，類似于火焰矯正消除應(yīng)力的效果[3]。

（5）采用冷焊法。采用冷焊法力求做到整個(gè)結(jié)構(gòu)上的溫度分布盡量均勻，追求焊縫和高溫?zé)嵊绊憛^(qū)的寬度盡量窄小，控制溫度，這樣收縮造成的應(yīng)力則會(huì)比較小，例如采用較小的焊接線能量、合理的焊接順序和操作方法都可以實(shí)現(xiàn)。如采用小徑焊條、小電流多層直焊法。

（6）焊前預(yù)熱和焊后緩冷。根據(jù)材料特性，一些特殊材料的焊接需要焊前預(yù)熱，來減少焊縫區(qū)與周圍區(qū)域的溫差。焊后緩冷是焊縫在溫度降低時(shí)可再次加熱到適當(dāng)溫度來降低焊縫區(qū)的冷卻速度，使焊件能較均勻緩慢冷卻，來控制焊接應(yīng)力與變形。如鍋爐上采用的耐熱鋼材料12Cr1MoVG在焊接工藝上需要焊前預(yù)熱、焊后保溫退火、熱處理等措施。

3 焊接變形的控制

3.1 反變形法

反變形法是在生產(chǎn)中使用較廣的一種方法，它是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)焊接變形量大小和走向的一個(gè)預(yù)判，而在金屬結(jié)構(gòu)件組對(duì)和拼裝時(shí)預(yù)留一定的相反變形量，使結(jié)構(gòu)件焊后與焊前預(yù)留量產(chǎn)生的變形相抵消，來達(dá)到構(gòu)件平整的目的和想達(dá)到的理想狀態(tài)。

3.2 利用裝配和焊接順序控制變形

通過對(duì)焊接順序和結(jié)構(gòu)裝配的調(diào)整可有效控制焊接變形，同樣的結(jié)構(gòu)如采用不同的焊接順序和合理的裝配方法，便可實(shí)現(xiàn)良好的控制效果。所以選擇正確合理的焊接與組裝順序比較重要，一般可按以下原則：（1）收縮量大的焊縫先焊。（2）采取對(duì)稱同時(shí)施焊法（從中心對(duì)稱向外施焊法）。（3）長焊縫焊接時(shí)，應(yīng)采取對(duì)稱焊、由內(nèi)向外、逐步退焊、跳焊順序。

3.3 對(duì)稱施焊法

對(duì)稱施焊法在制定焊接工藝時(shí)，根據(jù)整體結(jié)構(gòu)件或設(shè)備結(jié)構(gòu)情況安排焊接位置、方向、焊接人數(shù)，達(dá)到控制變形量最小的目的，焊接人數(shù)都是成對(duì)成組配置，較大的結(jié)構(gòu)需多人同時(shí)施焊，使焊接變形相互制約，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力得到均衡而不產(chǎn)生較大的整體變形。