減少焊接應力與變形的工藝措施的分析與探討

戚建偉

（華電曹妃甸重工裝備有限公司，河北 唐山 063200）

減少焊接應力與變形的工藝措施的分析與探討

戚建偉

（華電曹妃甸重工裝備有限公司，河北 唐山 063200）

本文主要介紹了焊接過程中鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生焊接應力以及發(fā)生變形的原因，也規(guī)劃了防止構(gòu)件變形的基本工藝措施和焊接過程中的注意事項。

焊接應力；變形；工藝措施

在我們的工藝生產(chǎn)過程中，我們時常會碰到工業(yè)零件在焊接后會變形甚至構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生焊接殘余應力。在焊接過程中構(gòu)件承擔外在力量時，外載應力和焊接應力會相互疊加從而會使某部位的承受壓力超出承受范圍之內(nèi)，導致構(gòu)件發(fā)生新的塑性變形，若塑性變形過大的話將會影響構(gòu)件的使用，構(gòu)件也會生成細小裂紋。要確保焊接質(zhì)量必須降低、減小焊接過程中的應力與塑性變形。

1 產(chǎn)生焊接變形及焊接應力的原因

當構(gòu)件在焊接的時候已經(jīng)開始發(fā)生變形而且會隨著焊件上的溫度波動和熱源的移動而變化。在通常情況下，任意一條焊縫在焊接過程中都會發(fā)生受熱膨脹，尤其在高溫地區(qū)金屬在熱脹冷縮時將會產(chǎn)生塑性變形，先焊接部位會先開始冷卻、凝固，然而膨脹和收縮卻是在這條焊縫的不同部位產(chǎn)生，這種情況會持續(xù)到溫度恢復到室溫的時候熱變形才會停止。焊接時焊接變形的存在因素有：金屬局部產(chǎn)生伸縮與收縮變形后所產(chǎn)生的內(nèi)應力、構(gòu)件內(nèi)部由于溫度變化而產(chǎn)生的應力、內(nèi)部與外部在冷卻時的不同步調(diào)以及局部相變等。

由于焊件受到自身的約束，在焊接過程中便會制止受熱區(qū)的膨脹，所以會因為不能自由的熱脹冷縮而變形，當冷卻時，焊件便會產(chǎn)生殘余變形、彎曲和殘余應力。因為它標志著一個產(chǎn)品的質(zhì)量和使用性能，所以許多的焊件結(jié)構(gòu)破壞事故都是焊接產(chǎn)生的應力造成焊后殘余塑性變形而引起的。焊接應力和塑性變形是由于焊接過程中受熱不均勻產(chǎn)生的，而熱裂紋產(chǎn)生的物理原因是熱應力。另外，受到約束的平板在自然狀態(tài)下會對焊縫的橫向殘余應力產(chǎn)生縱向壓縮。

焊縫長度影響縱向收縮、引起橫向殘余應力的分布。在焊接時溫度場上的部分受熱區(qū)金屬會加快膨脹，相反，冷卻區(qū)的金屬便會慢慢收縮，所以也產(chǎn)生了制約彼此的應力：隨著溫度場的不斷前移，那些原先受到膨脹的金屬便會在冷卻過程過程中收縮，而它此時的收縮卻會受到比它先冷卻的金屬的牽制，從而大部分應力便會傳遞給相鄰的金屬給之施加壓力，但是它也會受到正在膨脹的金屬的推力?？梢钥闯觯壤鋮s的金屬總是產(chǎn)生拉力，從而造成膨脹的被壓縮而收縮的被拉伸。焊接方向和順序會對焊后沿整條焊縫軸線的縱截面上內(nèi)應力保持平衡而形成的橫向應力的分布產(chǎn)生影響。橫向殘余應力的分布在焊接時由兩端向中心或者由中心向兩端是完全不同的。但是在焊接的終點處的拉力是相同的[1]。

在焊接接頭中會有三個方向的拉伸殘余應力，因為在厚度方向上的兩處開坡口是不對稱的，會有J/V這兩種形式的開坡口，又因為接頭處厚度方向上的應力分布是不均勻的，所以J形坡口的焊縫拉力遠大于另一邊的拉力。因此這種焊接接頭時，構(gòu)件焊縫厚度方向會出現(xiàn)比較大的不對稱的拉伸應力是因為受到周圍的金屬的制約。為了保證在施焊過程中的方便、減少填充金屬使用量、降低坡口加工費用和減少焊接變形、預防裂紋的產(chǎn)生、減少焊接金屬中的原材料的比例，我們需要在接口處開J/V形焊縫接口形式，達到方便的送進焊條。因為原材料在熔入第一層焊縫金屬的比例達到25%左右，我們應在第一層焊縫焊接時采用微小電流、緩慢的焊接速度從而達到減少原材料的熔融[2]。

2 焊接時應注意事項

2.1 焊前準備

在施焊前，清潔坡口及其原材料兩側(cè)表面各30mm范圍內(nèi)的一些氧化物、油漬、水分及其他有害雜質(zhì)。焊條必須烘干，烘干溫度要高達400℃，烘焙時間達到1 h，烘干即用。為使焊縫獲到最大的力學性能需要根據(jù)焊接條件采用堿性的焊條E5015（J507）預熱不僅可以改善焊接接頭的塑性，也能夠有效地降低焊縫受熱區(qū)的最高硬度，防止出現(xiàn)馬氏體淬硬組織，避免產(chǎn)生冷裂紋，降低焊后殘余應力，所以我們在焊前采用了預熱這個主要的工藝措施——通常Q345的整體溫度為100～120℃[3]。

2.2 焊接檢查

該過程中一定要將背焊清根，每層之間要清除溢出的熔渣，兩側(cè)的湓溢物。焊縫的余高要控制在0到4mm之間，焊縫的表面不能夠存在顯而易見的裂紋、外部氣泡、夾渣、焊瘤、雙面焊縫中的焊穿問題、焊縫間斷以及弧坑。為減少氣孔需采用窄道短弧焊接，工件的表面焊接焊縫要工整、順滑、有均勻分布的波紋狀，焊縫的邊緣直線度應小于等于2mm。在焊后必須要對焊件立刻進行退火溫度為620攝氏度消除應力的熱處理。完善焊件的焊接質(zhì)量可以采用焊前預熱、焊中保溫以及焊后熱處理。

3 減少焊接應力與變形的工藝措施

3.1 采用合理的焊接順序

要控制和減少焊接變形必須采用正確的焊接順序，它能夠使焊接變形在焊接過程中消失匿盡。將不同時間段、不同的區(qū)域產(chǎn)生的變形方向相反，程度相似相互抵消的方式來防止焊接變形。要減少焊接應力就要依據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點以及焊縫的大致分布情況，確定合理的焊接順序和配置。應遵循以下原則：焊接的時候由中間向兩邊焊接，也要交替的焊接，尤其是焊接的順序、方向、焊道的分部以及焊接的序次，要做到在結(jié)構(gòu)和安排上的相符合，若單邊拉伸極易產(chǎn)生角變形，因此要采用“剛性固定法”。要使每條焊縫自由的收縮就要降低束縛。

3.2 剛性固定法

采用剛性固定法的焊接方法，需使用兩件完全一樣的構(gòu)件相互鑲嵌，牢固的焊接，從而進行剛性固定。在焊接過程中，每件構(gòu)件都會受到彎曲應力，焊接縫隙會分布在結(jié)構(gòu)的左右兩邊，對稱焊接，要按照焊接順序，方向嚴格執(zhí)行，兩位焊工要在焊接的時候同時焊接達到平衡應力，收縮。采用此種焊接方法不僅方便，而且焊后的變形方向會相反達到抵消的作用，從而降低變形的程度，在剛性固定的情況下，也能夠恰當?shù)南齼啥撕附訒r產(chǎn)生的變形。但是值得注意的是工件焊后需進行及時降低溫度、熱處理，用來消除內(nèi)應力[4]。

3.3 預熱法

焊前預熱是減少焊接應力的最有效的方法，也就是在焊前將工件完整的預熱一遍再進行焊接。焊前預熱不單單可以使焊縫區(qū)金屬和四周的金屬溫度差減少，在焊后又能夠均勻的緩慢的同時冷卻收縮，達到明顯的減少焊接應力和焊接變形問題。

3.4 焊后退火處理

焊后退火是最常見的、也是最有效果的消除焊接應力的一種方法。焊后退火是焊后將工件均勻地加熱到一定溫度后，在保溫一定時間，而后緩慢的冷卻。被加熱的工件隨著溫度的升高，強度下降。當強度下降到一定水平，焊接應力大于加熱金屬的屈服強度時，工件就會產(chǎn)生局部塑形變形，從而是殘余應力得到釋放。對于特定材質(zhì)的焊接構(gòu)件，保溫溫度越高，保溫時間越長，消除應力越徹底。在冷卻過程中，隨著溫度的降低，材料的屈服強度逐漸提高，不會再產(chǎn)生塑性變形。整體退火一般可消除絕大部分焊接時產(chǎn)生的殘余應力。

4 結(jié)束語

抵制厚板的角變形的產(chǎn)生是在焊接時采用鑲嵌模式的剛性固定法，這種方法值得我們大力的推廣。在焊接的接頭處使用不同的坡口顯得格外重要。各種各樣的坡口模式、焊接的順序、方向、方法、工藝裝夾方式都會在焊接的時候嚴重影響厚板焊接時產(chǎn)生的焊接殘余應力的大小以及分布。厚板坡口形式可以采用雙U形焊縫坡口形式，但是卻不建議使用焊縫寬度加大的雙V形坡口。為使保溫層為最后焊層后熱，要在厚板焊接的最后焊層上在追加一層焊道。在焊縫完全冷卻至常溫后，去除該多余焊層，使焊縫與原材料平行，也可保留焊縫余高在要求范圍內(nèi)。

[1]張士相.淺談鑄鐵冷焊[J].現(xiàn)代制造工程，2011，03.

[2]沈正明.機械振動消除焊接件的殘余應力[J].航空制造技術(shù)，2011，01.

[3]關 橋.推廣應用焊縫滾壓工藝中的幾個問題[J].航空制造技術(shù)，2010，02.

[4]劉志強.結(jié)507焊條采用回火道法焊接東方紅75/54拖拉機大梁[J].機械工人.熱加工，2010，08.

To Reduce Welding Stress and Deformation Process Measures the Analysis and Discussion

QIJian-wei
(Huadian Caofeidian Heavy EquipmentCo.，Ltd.，Tangshan Hebei603200，China)

This papermainly introduces thewelding processofsteelstructure producewelding stressand deformation of the happen reason,also planning to prevent the deformation of the component basic processmeasures and matters of attention in thewelding process.

thewelding stress；deformation；processmeasures

TS132

A

1672-545X（2013）05-0276-02

2013-02-06

戚建偉（1980—），男，河北唐山人，本科學歷，助理工程師，研究方向為焊接應用。