焊接應(yīng)力與焊接變形的抑制

張晟

（新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局704隊(duì)，新疆哈密 839000）

1 焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生原因

產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的基本原因是由于焊接時(shí)焊件的局部加熱到高溫狀態(tài)，形成了焊件上溫度的不均勻分布所造成的。因不同的焊接熱引起金相組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，隨之而出現(xiàn)體積的變化，當(dāng)體積變化受到阻礙時(shí)便產(chǎn)生了應(yīng)力，出現(xiàn)整體變形。

2 降低焊接應(yīng)力的措施

主要包含設(shè)計(jì)措施、工藝措施、焊前熱處理、焊后熱處理等。

（1）設(shè)計(jì)措施就是從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)采取減少焊接構(gòu)件焊接的數(shù)量、長(zhǎng)度、改善焊縫的分布布局，讓焊縫分布分散，優(yōu)化焊口接頭的結(jié)構(gòu)形式等措施，以避免或減少焊接應(yīng)力的疊加，譬如在滿足工藝要求的情況下，將管道管口盡可能多設(shè)計(jì)為翻邊式，少用或不用承插式。

（2）工藝措施就是從焊接加工順序、使用的焊接設(shè)備的方向來(lái)降低焊接的應(yīng)力，通常可以使用焊接能量集中，較低的焊接能量，較低的焊接線能量就可滿足焊接要求的焊機(jī)，因?yàn)檩^小的焊接線能量輸入能減少焊縫熱塑變的范圍以及溫度梯度的幅度，如使用氣體保護(hù)焊，減少手工電弧焊的使用。

在焊接過(guò)程中合理的安排安裝焊接的順序、方向，使焊縫有能夠自由收縮的余地，在焊接過(guò)程中不得施加約束的外加力，讓焊接應(yīng)力得以有效的釋放，如在大面積多張鋼板焊接時(shí)應(yīng)先對(duì)短焊縫進(jìn)行焊接，當(dāng)全部短焊縫焊接完畢后再進(jìn)行長(zhǎng)焊縫的焊接。也可采取在進(jìn)行層間進(jìn)行錘擊的方法，當(dāng)每層焊道焊接完畢后使用小錘敲擊焊縫以及焊縫臨近區(qū)域，這樣會(huì)讓金屬晶粒間的應(yīng)力得以釋放，能非常有效的降低母材與焊材之間的殘余應(yīng)力，尤其是在焊接鑄鐵焊件時(shí)效果尤其顯著，如未能及時(shí)的對(duì)鑄鐵焊件焊縫進(jìn)行層間敲擊釋放應(yīng)力，在焊縫周圍的母材上會(huì)產(chǎn)生明顯的焊接裂紋。

（3）焊接前的熱處理。如果焊接構(gòu)件在焊接前后溫差較大則會(huì)產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力，在焊接前對(duì)焊接構(gòu)件進(jìn)行焊前預(yù)熱就能減少焊接構(gòu)件焊接前后的溫差以及能減慢焊接構(gòu)件的冷卻速率，這樣就能很好并且有效的減小焊接殘余應(yīng)力。對(duì)于焊前預(yù)熱的另外一種形式為預(yù)熱預(yù)拉伸補(bǔ)償法，原理為對(duì)于一些焊接構(gòu)件有可能阻礙焊接區(qū)域內(nèi)可以自由伸縮的部位，使用預(yù)加熱或機(jī)械的方式方法，使得焊接構(gòu)件焊接區(qū)域同時(shí)拉伸或者同時(shí)收縮，減少焊接構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生的焊接內(nèi)應(yīng)力。

（4）焊材的選擇方法。對(duì)于焊接高強(qiáng)度低合金鋼（如Q460 鋼材）構(gòu)件，必須使用焊材塑性較好的焊條進(jìn)行構(gòu)件的焊接，原因?yàn)楫?dāng)焊接構(gòu)件的焊縫在采用塑性良好的焊材進(jìn)行填充焊接后，有著良好的塑性形變，讓焊接構(gòu)件時(shí)產(chǎn)生的焊接內(nèi)應(yīng)力通過(guò)焊縫的塑性形變得以釋放，減少焊接構(gòu)件的焊接應(yīng)力。焊接構(gòu)件在高溫焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生“氫脆”的現(xiàn)象，消氫的意義在于控制焊接構(gòu)件熱區(qū)域內(nèi)焊材內(nèi)部的氫元素的含量，讓焊縫內(nèi)部的氫元素溢出，預(yù)防氫元素導(dǎo)致的集中應(yīng)力產(chǎn)生，杜絕氫元素導(dǎo)致的冷裂紋的產(chǎn)生，方法為可使用低氫型焊材和在焊接結(jié)束后對(duì)焊接構(gòu)件采取消氫處理。在進(jìn)行消氫處理時(shí)，加熱溫度通常情況下控制在300 至350 攝氏度之間，保溫時(shí)間一般控制在2至4個(gè)小時(shí)左右，然后再進(jìn)行冷卻。

（5）焊后熱處理。即對(duì)焊接構(gòu)件采取高溫回火的熱處理方法，消除焊機(jī)構(gòu)件內(nèi)部的殘余內(nèi)應(yīng)力，具體原理為利用鋼材在高溫條件下其屈服強(qiáng)度極限會(huì)降低，讓焊件內(nèi)部焊接內(nèi)應(yīng)力高區(qū)域發(fā)生塑性流動(dòng)，彈性變形逐漸減少，塑性變形逐漸增加，使焊接內(nèi)應(yīng)力發(fā)生降低。方法為將焊接構(gòu)件放在熱處理爐內(nèi)加熱到一定溫度并且保溫一段時(shí)間。焊后熱處理的溫度與保溫時(shí)間對(duì)焊接的金屬抗拉強(qiáng)度、蠕變極限有著較高的影響。但鋼種對(duì)焊材焊縫金屬?zèng)_擊韌性有著較高的影響。

（6）可以用振動(dòng)的方法來(lái)消除焊接殘余應(yīng)力，原理是如果焊接構(gòu)件承受變載荷應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值，經(jīng)過(guò)多次振動(dòng)后，就會(huì)讓焊接結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力降低，可以消除部分焊接殘余應(yīng)力。此方法適用于一般的大型焊件。振動(dòng)法的優(yōu)點(diǎn)是綠色環(huán)保、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用成本低、操作時(shí)間短。

3 焊接變形的危害性及預(yù)防措施

3.1 焊接變形的類型

焊接變形根據(jù)產(chǎn)生的環(huán)境條件，基本可分為在焊接高熱過(guò)程中的瞬態(tài)熱變形與在室溫常溫狀態(tài)下的殘余變形。按照在焊接構(gòu)件的幾何空間分布可分為焊件構(gòu)件的面內(nèi)變形和面外變形。面內(nèi)變形包含焊縫縱向收縮變形、焊縫橫向收縮變形、焊縫回轉(zhuǎn)變形；面外變形包含失穩(wěn)波浪變形、角變形、扭曲變形、彎曲變形。

3.2 焊接變形的危害

焊接變形可以導(dǎo)致焊接構(gòu)件外觀質(zhì)量降低，影響焊接構(gòu)件的裝配質(zhì)量，降低焊接構(gòu)件的承載能力，增加焊接構(gòu)件消除形變、矯正構(gòu)件的工序、增大了制造的時(shí)間、人工成本。

3.3 預(yù)防焊接變形的措施

預(yù)防焊接變形主要通過(guò)合理的設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)、合理的裝配工藝、合理的焊接工藝等措施，避免焊接變形。

通過(guò)對(duì)焊接構(gòu)件合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)焊接構(gòu)件焊縫位置的合理安排，焊接坡口形式的合理選擇（如使用對(duì)稱坡口），焊接焊縫要盡可能的與焊接構(gòu)件截面中性軸對(duì)稱，焊接構(gòu)件焊縫不應(yīng)過(guò)于集中，焊接構(gòu)件焊縫的數(shù)量、長(zhǎng)度不應(yīng)過(guò)多過(guò)長(zhǎng)，在滿足焊接構(gòu)件有足夠機(jī)械強(qiáng)度的前提下，要使用具有較少的焊縫數(shù)量、長(zhǎng)度、橫截面積。

通過(guò)對(duì)裝配工藝措施的合理安排，將預(yù)計(jì)焊接構(gòu)件焊接后必定會(huì)發(fā)生縮短的尺寸的，在焊前預(yù)留出來(lái)收縮余量，防止焊接構(gòu)件在焊接后發(fā)生幾何尺寸的縮短。另一種方法為反變形法，基本原理為抵消焊接構(gòu)件的變形，方法為先將焊接構(gòu)件加熱使其發(fā)生反向變形，進(jìn)行人為的預(yù)變形，再進(jìn)行焊接構(gòu)件的焊接。對(duì)于幾何尺寸較小的焊接構(gòu)件的角變形、波浪失穩(wěn)變形可采取剛性固定焊接構(gòu)件的方法。對(duì)于焊接薄板型的焊接構(gòu)件，可采用在焊縫兩側(cè)使用型鋼通過(guò)螺栓固定緊固的方法進(jìn)行剛性固定。

對(duì)于大型焊接構(gòu)件的焊接，應(yīng)合理的選擇焊接裝配順序，可以合理的將大型焊接構(gòu)件分解成若干個(gè)較小的部分分別進(jìn)行裝配焊接，因?yàn)檩^小的焊接構(gòu)件可以自由的收縮，焊接的變形量較小，不會(huì)導(dǎo)致焊接整體構(gòu)件的形變，然后再將這些小部件組成整體進(jìn)行焊接。

合理的焊接工藝措施也是減小焊接形變的重要措施，在滿足焊接強(qiáng)度的條件下，盡可能的減小焊接線能量的輸入的焊接方法，如多采用氣體保護(hù)焊等熱集中的焊接方法，盡量少用手工焊條電弧焊，尤其是要少用氣焊。