淺談焊接應力及變形控制的研究

宋桂來

摘 要：為有效控制因焊件的不均勻膨脹和收縮而造成的焊接變形，就焊接變形和焊接應力的各種影響因素進行分析，提出了相應的控制措施。

關鍵詞：焊接變形；焊接應力；熱過程；焊接工藝

在焊接技術發展如火如荼的今天，形式各異的焊接機械、焊接方法日新月異，焊接技術成了一個關鍵的課題。但在作業過程中，由于焊接產生的焊接殘余應力和殘余變形，嚴重影響著焊接的質量，因而，急需采用合理的方法予以控制。

焊接過程實際上是在焊件局部區域加熱后又冷卻凝固的熱過程，但由于不均勻溫度場，導致焊件不均勻的膨脹和收縮，從而使焊件內部產生焊接應力而引起焊接變形。常見的焊接應力有：1）縱向應力；2）橫向應力；3）厚度方向應力。常見的焊接變形有：1）縱向收縮變形；2）橫向收縮變形；3）角變形；4）彎曲變形；5）扭曲變形；6）波浪變形。針對這些不同種類的焊接變形和應力分布，追溯根源，具體進行研究控制。

1 焊接變形的控制措施

全面分析各因素對焊接變形的影響，掌握其影響規律，即可采取合理的控制措施。

1.1 焊縫截面積的影響

焊縫截面積是指熔合線范圍內的金屬面積。焊縫面積越大，冷卻時收縮引起的塑性變形量越大，焊縫面積對縱向、橫向及角變形的影響趨勢是一致的，而且是起主要的影響，因此，在板厚相同時，坡口尺寸越大，收縮變形越大。

1.2 焊接熱輸入的影響

一般情況下，熱輸入大時，加熱的高溫區范圍大，冷卻速度慢，使接頭塑性變形區增大。

1.3 焊接方法的影響

多種焊接方法的熱輸入差別較大，在焊接常用的幾種焊接方法中，除電渣以外，埋弧焊熱輸入最大，在其他條件如焊縫斷面積等相同情況下，收縮變形最大，手工電弧焊居中，CO2氣體保護焊最小。

1.4 接頭形式的影響

在焊接熱輸入、焊縫截面積、焊接方面等因素條件相同時，不同的接頭形式對縱向、橫向、角變形量有不同的影響。常用的焊縫形式有堆焊、角焊、對接焊。

1）表面堆焊時，焊縫金屬的橫向變形不但受到縱橫向母材的約束，而且加熱只限于工件表面一定深度而使焊縫的收縮同時受到板厚、深度、母材方面的約束，因此，變形相對較小。2）T形角接接頭和搭接接頭時，其焊縫橫向收縮情況與堆焊相似，其橫向收縮值與角焊縫面積成正比，與板厚成反比。3）對接接頭在單道（層）焊的情況下，其焊縫橫向收縮比堆焊和角焊大，在單面焊時坡口角度大，板厚上、下收縮量差別大，因而角變形較大。

雙面焊時情況有所不同，隨著坡口角度和間隙的減小，橫向收縮減小，同時角變形也減小。

1.5 焊接層數的影響

1）橫向收縮：在對接接頭多層焊接時，第一層焊縫的橫向收縮符合對接焊的一般條件和變形規律，第一層以后相當于無間隙對接焊，接近于蓋面焊道時與堆焊的條件和變形規律相似，因此，收縮變形相對較小。2）縱向收縮：多層焊接時，每層焊縫的熱輸入比一次完成的單層焊時的熱輸入小得多，加熱范圍窄，冷卻快，產生的收縮變形小得多，而且前層焊縫焊成后都對下層焊縫形成約束，因此，多層焊時的縱向收縮變形比單層焊時小得多，而且焊的層數越多，縱向變形越小。

2 焊接變形的措施

在焊接工作實踐中，由于各種條件因素的綜合作用，焊接殘余變形的規律比較復雜，了解各因素單獨作用的影響便于對工程具體情況做具體的綜合分析。所以，了解焊接變形產生的原因和影響因素，則可以采取以下控制變形的措施：

1）減小焊縫截面積，在得到完整、無超標缺陷焊縫的前提下，盡可能采用較小的坡口尺寸（角度和間隙）。2）對屈服強度345MPA以下，淬硬性不強的鋼材采用較小的熱輸入，盡可能不預熱或適當降低預熱、層間溫度；優先采用熱輸入較小的焊接方法，如CO2氣體保護焊。3）厚板焊接盡可能采用多層焊代替單層焊。4）對于較長的焊縫可采用間斷焊接法。5）雙面均可焊接操作時，要采用雙面對稱坡口，并在多層焊時采用與構件中和軸對稱的焊接順序。6）T形接頭板厚較大時采用開坡口角對接焊縫。7）采用焊前反變形方法控制焊后的角變形。8）采用剛性夾具固定法控制焊后變形。9）采用焊件預留長度法補償焊縫縱向收縮變形，如H形縱向焊縫每米長可預留0.5mm～0.7mm。10）對于長焊件的扭曲，主要靠提高板材平整度和構件組裝精度，使坡口角度和間隙準確，電弧的指向或對中準確，以使焊縫角度變形和翼板及腹板縱向變形值與構件長度方向一致。11）在焊縫眾多的焊件組焊時或結構安裝時，要采取合理的焊接順序。12）設計上要盡量減少焊縫的數量和尺寸，合理布臵焊縫，除了要避免焊縫密集以外，還應使焊縫位臵盡可能靠近構件的中和軸，并使焊縫的布臵與構件中和軸相對稱。

3 焊接應力的控制措施

1.焊件焊接時產生瞬時內應力，焊接后產生殘余應力，并同時產生殘余變形，這是不可避免的現象。

2.焊接變形的矯正費時費工，在進行焊接前首先考慮的是控制變形，往往對控制殘余應力較為忽視，常用一些卡具、支撐以增加剛性來控制變形，與此同時實際上增大了焊后的殘余應力。

3.對于一些本身剛性較大的構件，如板厚較大，截面本身的慣性矩較大時，雖然變形會較小，但卻同時產生較大的內應力，甚至產生裂紋。

因此，對于一些截面厚大，焊接節點復雜，拘束度大，鋼材強度級別高，使用條件惡劣的重要結構要注意焊接應力的控制。控制應力的目標是降低其峰值使其均勻分布，其控制措施有以下幾種：

1）減小焊縫尺寸：焊接內應力由局部加熱循環而引起，為此，在滿足設計要求的條件下，不應加大焊縫尺寸和層高，要轉變焊縫越大越安全的觀念。2）減小焊接拘束度：拘束度越大，焊接應力越大，首先應盡量使焊縫在較小拘束度下焊接，盡可能不用剛性固定的方法控制變形，以免增大焊接拘束度。3）采取合理的焊接順序：在焊縫較多的組裝條件下，應根據構件形狀和焊縫的布臵，采取先焊收縮量較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫；先焊拘束度較大而不能自由收縮的焊縫，后焊拘束度較小而能自由收縮的焊縫的原則。

4）降低焊件剛度，創造自由收縮的條件。5）錘擊法減小焊接殘余應力：在每層焊道焊完后立即用圓頭敲渣小錘或電動錘擊工具均勻敲擊焊縫金屬，使其產生塑性延伸變形，并抵消焊縫冷卻后承受的局部拉應力。但根部焊道、坡口內及蓋面層與母材坡口面相鄰的兩側焊道不宜錘擊，以免出現熔合線和近縫區的硬化或裂紋。高強度低合金鋼，如屈服強度級別大于345MPa時，也不宜用錘擊法消除焊接殘余應力。

綜上所述，在焊接過程中，焊接應力和焊接變形的產生是不可避免的，所以需要操作者根據焊接綜合考慮，如何把焊接變形和焊接應力減小的最低是關鍵，由于時間比較倉促，水平有限，文中難免有不當之處，敬請領導批評指正。

參考文獻

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