焊接應力與焊接變形的抑制

張晟

（新疆維吾爾自治區有色地質勘查局704隊，新疆哈密 839000）

1 焊接應力與變形的產生原因

產生焊接應力與變形的基本原因是由于焊接時焊件的局部加熱到高溫狀態，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生轉變，隨之而出現體積的變化，當體積變化受到阻礙時便產生了應力，出現整體變形。

2 降低焊接應力的措施

主要包含設計措施、工藝措施、焊前熱處理、焊后熱處理等。

（1）設計措施就是從設計的角度出發采取減少焊接構件焊接的數量、長度、改善焊縫的分布布局，讓焊縫分布分散，優化焊口接頭的結構形式等措施，以避免或減少焊接應力的疊加，譬如在滿足工藝要求的情況下，將管道管口盡可能多設計為翻邊式，少用或不用承插式。

（2）工藝措施就是從焊接加工順序、使用的焊接設備的方向來降低焊接的應力，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，因為較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，如使用氣體保護焊，減少手工電弧焊的使用。

在焊接過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，在焊接過程中不得施加約束的外加力，讓焊接應力得以有效的釋放，如在大面積多張鋼板焊接時應先對短焊縫進行焊接，當全部短焊縫焊接完畢后再進行長焊縫的焊接。也可采取在進行層間進行錘擊的方法，當每層焊道焊接完畢后使用小錘敲擊焊縫以及焊縫臨近區域，這樣會讓金屬晶粒間的應力得以釋放，能非常有效的降低母材與焊材之間的殘余應力，尤其是在焊接鑄鐵焊件時效果尤其顯著，如未能及時的對鑄鐵焊件焊縫進行層間敲擊釋放應力，在焊縫周圍的母材上會產生明顯的焊接裂紋。

（3）焊接前的熱處理。如果焊接構件在焊接前后溫差較大則會產生較大的焊接殘余應力，在焊接前對焊接構件進行焊前預熱就能減少焊接構件焊接前后的溫差以及能減慢焊接構件的冷卻速率，這樣就能很好并且有效的減小焊接殘余應力。對于焊前預熱的另外一種形式為預熱預拉伸補償法，原理為對于一些焊接構件有可能阻礙焊接區域內可以自由伸縮的部位，使用預加熱或機械的方式方法，使得焊接構件焊接區域同時拉伸或者同時收縮，減少焊接構件內部產生的焊接內應力。

（4）焊材的選擇方法。對于焊接高強度低合金鋼（如Q460 鋼材）構件，必須使用焊材塑性較好的焊條進行構件的焊接，原因為當焊接構件的焊縫在采用塑性良好的焊材進行填充焊接后，有著良好的塑性形變，讓焊接構件時產生的焊接內應力通過焊縫的塑性形變得以釋放，減少焊接構件的焊接應力。焊接構件在高溫焊接時會產生“氫脆”的現象，消氫的意義在于控制焊接構件熱區域內焊材內部的氫元素的含量，讓焊縫內部的氫元素溢出，預防氫元素導致的集中應力產生，杜絕氫元素導致的冷裂紋的產生，方法為可使用低氫型焊材和在焊接結束后對焊接構件采取消氫處理。在進行消氫處理時，加熱溫度通常情況下控制在300 至350 攝氏度之間，保溫時間一般控制在2至4個小時左右，然后再進行冷卻。

（5）焊后熱處理。即對焊接構件采取高溫回火的熱處理方法，消除焊機構件內部的殘余內應力，具體原理為利用鋼材在高溫條件下其屈服強度極限會降低，讓焊件內部焊接內應力高區域發生塑性流動，彈性變形逐漸減少，塑性變形逐漸增加，使焊接內應力發生降低。方法為將焊接構件放在熱處理爐內加熱到一定溫度并且保溫一段時間。焊后熱處理的溫度與保溫時間對焊接的金屬抗拉強度、蠕變極限有著較高的影響。但鋼種對焊材焊縫金屬沖擊韌性有著較高的影響。

（6）可以用振動的方法來消除焊接殘余應力，原理是如果焊接構件承受變載荷應力達到一定數值，經過多次振動后，就會讓焊接結構中的殘余應力降低，可以消除部分焊接殘余應力。此方法適用于一般的大型焊件。振動法的優點是綠色環保、設備結構簡單、使用成本低、操作時間短。

3 焊接變形的危害性及預防措施

3.1 焊接變形的類型

焊接變形根據產生的環境條件，基本可分為在焊接高熱過程中的瞬態熱變形與在室溫常溫狀態下的殘余變形。按照在焊接構件的幾何空間分布可分為焊件構件的面內變形和面外變形。面內變形包含焊縫縱向收縮變形、焊縫橫向收縮變形、焊縫回轉變形；面外變形包含失穩波浪變形、角變形、扭曲變形、彎曲變形。

3.2 焊接變形的危害

焊接變形可以導致焊接構件外觀質量降低，影響焊接構件的裝配質量，降低焊接構件的承載能力，增加焊接構件消除形變、矯正構件的工序、增大了制造的時間、人工成本。

3.3 預防焊接變形的措施

預防焊接變形主要通過合理的設計焊接結構、合理的裝配工藝、合理的焊接工藝等措施，避免焊接變形。

通過對焊接構件合理的結構設計，對焊接構件焊縫位置的合理安排，焊接坡口形式的合理選擇（如使用對稱坡口），焊接焊縫要盡可能的與焊接構件截面中性軸對稱，焊接構件焊縫不應過于集中，焊接構件焊縫的數量、長度不應過多過長，在滿足焊接構件有足夠機械強度的前提下，要使用具有較少的焊縫數量、長度、橫截面積。

通過對裝配工藝措施的合理安排，將預計焊接構件焊接后必定會發生縮短的尺寸的，在焊前預留出來收縮余量，防止焊接構件在焊接后發生幾何尺寸的縮短。另一種方法為反變形法，基本原理為抵消焊接構件的變形，方法為先將焊接構件加熱使其發生反向變形，進行人為的預變形，再進行焊接構件的焊接。對于幾何尺寸較小的焊接構件的角變形、波浪失穩變形可采取剛性固定焊接構件的方法。對于焊接薄板型的焊接構件，可采用在焊縫兩側使用型鋼通過螺栓固定緊固的方法進行剛性固定。

對于大型焊接構件的焊接，應合理的選擇焊接裝配順序，可以合理的將大型焊接構件分解成若干個較小的部分分別進行裝配焊接，因為較小的焊接構件可以自由的收縮，焊接的變形量較小，不會導致焊接整體構件的形變，然后再將這些小部件組成整體進行焊接。

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。