焊接應力與焊接變形及其控制方式

王珂 劉守熠

摘要：在焊接接頭冷卻過程中，產生壓縮塑性變形的焊縫區由于不能恢復到原來狀態，要縮短，由于內外拘束條件的限制，焊縫金屬產生了拉應力。 在實際焊接加工生產過程中，焊接殘余應力與焊接變形，會對焊接構件的質量及加工精度有著至關重要的影響。本文主要研究焊接應力與焊接變形產生原因;焊接殘余應力及焊接變形的危害及控制方式等方面進行探討分析。

關鍵詞：焊接應力;焊接變形;控制方式

引言

在焊接過程中，焊縫金屬在熱膨脹過程中受到處于相對低溫區的母材金屬的內拘束和結構外拘束，不能夠自由膨脹而產生壓應力，壓應力大于屈服強度時，這樣就產生了壓縮塑性變形，隨著變形量的增加，焊接應力減小，焊接變形成了應力的釋放形式，由于材料還未成為完全塑性材料，在材料內部還會產生壓縮彈性變形，為使整個構件平衡，接頭高溫區產生壓應力，母材低溫區產生拉應力。本文對焊接應力與焊接變形及其控制方式進行了探討分析。

一、焊接殘余應力與焊接變形產生的原因

由于焊接溫度發生了變化使焊件熱脹冷縮，從而焊件之間相互約束，故在焊縫周圍就會產生互相阻礙約束的力。焊接殘余應力當焊接應力超出彈性極限時，焊接變形不能隨應力的消除而消失，就會殘留在焊件里。在焊接過程中，當焊條加熱融化時會引起焊縫周圍局部溫度過高，在熔池的高溫材料會受熱膨脹，在膨脹過程就會產生變形。同時，在冷卻過程中，由于周圍材料的限制，不能使之前發生變形的那部分材料自由收縮，這在不同程度上又會產生拉伸變形。

二、焊接殘余應力的危害。

焊接殘余應力對構件的承載能力有著極為重要的影響;會使構件容易產生脆性斷裂;降低構件的疲勞強度;降低構件的剛度極其穩定性能;并且應力區域存在腐蝕開裂缺陷;也會降低構件的精度和穩定性能。

1、對結構剛度的影響。當外部載荷與構件內部殘余應力疊加達到屈服極限時，就會使構件產生塑性變形，從而降低承受載荷的有效截面積，構件剛度降低。

2、對穩定性的影響。當外部載荷產生應力與結構中的局部載荷疊加后達到屈服點后，就會減小有效截面積，從而降低了受壓件的穩定性。

3、對靜載強度的影響。通常情況下，只要應力集中現象不是很明顯，對于塑性材料來說，靜載強度不會受殘余應力的影響。然而，殘余應力過于集中會降低脆性材料的強度。

4、對疲勞強度的影響。殘余應力對構件的疲勞強度也存在一定的影響，如果應力集中的的地方存在殘余應力，就會是疲勞強度降低。

5、對構件制造精度和尺寸保證性能的影響。假如構件殘余應力，當加工制造時，會打破原來的應力平衡，應力平衡被破壞，會一定程度上造成零部件輕微變形，將會影響加工精度。

三、降低焊接應力的措施

3.1設計措施

1、設計構件時盡量減少焊縫的尺寸與數量，這樣可以減少變形量，同時降低焊接應力。

2、使焊縫分散布置，避免集中，防止盈利疊加現象。3、對設計結構進行合理優化。

3.2工藝措施

1、采用較小的焊接線能量。降低受熱塑性變形的能力。

2、合理安排裝配焊接順序。合理的焊接順序，可以使焊縫自由收縮，從而達到降低焊接應力的目的。

3、層間進行錘擊。利用小錘輕敲焊縫及其周圍區域，這樣能使金屬晶粒之間的應力得到釋放，從而減小焊接應力。

4、焊接高強鋼時，選擇塑形較好的焊條。焊縫的金屬填充物具有良好的塑性變形，可降低焊接應力。

5、采用熱處理方法。將構件的溫度升高至某一數值，內應力可以部分得到釋放，殘余應力也會有所降低。

6、預熱拉伸（機械拉伸或加熱拉伸）補償焊縫收縮。采用預熱或機械拉伸的方式處理阻止焊縫區域進行收縮的部位，使之與焊接區域同時膨脹或收縮，就可以減小焊接應力。

7、采用整體預熱。把零部件分散預熱會造成預熱不均勻現象，構件整體上存在溫差，溫差越大，殘余應力越大。

8、利用振動法來消除焊接殘余應力。當構件承受變載荷達到一定數值時，經過反復震動后，構件中的殘余應力也會有所降低，即利用震動方法可以消除部分殘余應力。對于大型焊件，一般采用振動器來消除焊接殘余應力。振動法的優越性在于設備簡單，時間比較短，成本比較低，不像高溫加熱一樣會使構件得到氧化，這種方法在實際生產中得到廣泛的應用。

四、焊接變形的危害與預防措施

4.1焊接變形的危害

降低裝配質量;影響外觀質量;降低承載力;增加矯正工序;提高制造成本。

4.2優化焊接結構設計

1、合理設計焊縫位置，盡量分散設計，并關于構件截面的中性軸對稱。2、優化焊縫尺寸及其形狀。盡量采用短焊縫，避免過長焊縫。3、盡量減少焊縫的長度及其數量。

4.3采取合理的裝配工藝

1、預留收縮余量法：為了防止焊件焊后發生尺寸收縮，可以事先將收縮的尺寸預留出來，并通過估算，經驗，實測三者結合的方式計算預留量。

2、反變形法：所謂的反變形法就是在焊接裝配前，先將焊件向焊接相反的方向進行變形。采用這種方法只要預計準確，控制得當，會收到良好的效果。

3、剛性固定法：剛性固定法在焊接過程中應用比較廣泛，適用于較小的焊件，其中在預防角變形和波浪變形過程中應用廣泛。并且這種方法在大型儲罐底焊接時應用較多，常在焊縫倆側加型鋼。

4、合理分配裝配順序：對于大型構件可以通過劃分多個區域的方式進行焊接，然后再拼焊成一個整體。采用這種方式的好處在于小構件可以自由收縮，不至于引起整體的結構變形。例如，可以采用先焊短焊縫后焊長焊縫的形式進行焊接。

4.4采取合理的焊接工藝措施

合理的焊接方法。盡量使氣體保護焊取代焊條電弧焊，因為氣體保護焊的熱源比較集中，尤其不宜使用氣焊。合理的選擇焊接線能量。要想有效的減少焊接變形，必須減少焊接線能量的輸入。合理安排焊接順序和方向。除打底層不宜進行錘擊外，盡量進行層間錘擊。

結語：

焊接構件采用哪種方法控制應力及變形，要進行具體分析。根據不同狀況，選擇一種或多種控制措施。從而達到既保證安全又經濟實用的目的。從設計及工藝兩方面綜合考慮各種影響焊接變形的因素并采取相應的措施，就能有效地控制焊接變形，取得令人滿意的效果。

參考文獻

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