淺談焊接應(yīng)力與變形及控制

黃小軍 馬歡樂

（陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000）

焊接應(yīng)力與變形往往是是焊接產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至?xí)驘o法補(bǔ)救而不得不報(bào)廢，在一般情況下焊接變形時(shí)對焊接質(zhì)量不利的，但是若掌握了變形的機(jī)理和規(guī)律，便可以利用它并能控制它。

1 焊接應(yīng)力與變形的基本知識(shí)

1.1 應(yīng)力。內(nèi)力是指物體受外力作用后所導(dǎo)致物體內(nèi)部之間相互作用力稱為內(nèi)力。當(dāng)構(gòu)件在物理、化學(xué)或物理化學(xué)變化過程中，如溫度、金相組織或化學(xué)成分等變化時(shí)，在物體內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力。作用在物體單位面積上的內(nèi)力叫做應(yīng)力。

1.2 變形。物體的變形是指物體在外力或溫度等因素的作用下，會(huì)出現(xiàn)形狀或幾何尺寸的變化。物體產(chǎn)生變形在外力、溫度等外界因素消除后變形也隨后消失，物體可恢復(fù)到原來狀態(tài)，此種變形稱為彈性變形。外力、溫度等外界因素消除后變形仍然存在，物體不能恢復(fù)到原來狀態(tài)，此種變形稱為塑性變形。

1.3 焊接應(yīng)力與焊接變形。焊接應(yīng)力是焊接過程中及焊接過程結(jié)束后，存在于構(gòu)件中內(nèi)部的應(yīng)力。由于焊接過程而引起的構(gòu)件尺寸的改變稱為焊接變形。

2 焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因分析

產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的原因十多方面的，最根本的原因是焊件受熱不平衡，其次是由于焊縫金屬的收縮、金相組織的變化及焊件的剛性不同影響。另外，焊縫在焊接結(jié)構(gòu)中焊縫分布、焊接方法、焊接電流參數(shù)、焊接順序等對焊接應(yīng)力與變形也有一定的影響，下面重點(diǎn)闡述幾個(gè)主要因素。

2.1 焊件的不均勻受熱

焊件的焊接是一個(gè)局部的加熱過程，焊件上的溫度分布不均，為了了解不均勻受熱時(shí)應(yīng)力與變形的產(chǎn)生，下面對不同條件下的應(yīng)力與變形進(jìn)行分析。

(1)不受約束的桿件在均勻加熱時(shí)的應(yīng)力與變形。依據(jù)對變形知識(shí)的理解，不受約束的桿件在均勻加熱與冷卻時(shí)，其變形屬于自由變形，于是在桿件加熱過程中不會(huì)產(chǎn)生任何內(nèi)應(yīng)力，冷卻后也不產(chǎn)生任何殘余應(yīng)力和殘余變形。

(2)受約束的桿件在均勻加熱時(shí)的應(yīng)力與變形。依據(jù)對非自由變形知識(shí)的理解，受約束的桿件的變形屬于非自由變形，其存在外觀變形，也存在內(nèi)部變形。

(3)長板條一側(cè)加熱（相當(dāng)于板邊堆焊）引起的應(yīng)力與變形。如下圖1中a）所示的材質(zhì)均勻的鋼板，在其邊緣快速加熱。假設(shè)鋼板由許多互不相連的窄條組成，則各窄條在加熱時(shí)將按溫度高低伸長情況不同，如下圖1中b）所示。在實(shí)際上板條是一整體，各板條之間是互相牽連、互相影響的，上一部分金屬因受下一部分金屬的拘束作用而不能自由伸長，會(huì)產(chǎn)生了壓縮塑性變形。由于鋼板上的溫度分布是自上而下逐漸降低，于是鋼板產(chǎn)生了向下的彎曲變形，如下圖1中c）所示。

鋼板冷卻后，各板條的收縮應(yīng)如下圖1中d）所示。實(shí)際上鋼板是一個(gè)整體，上一部分金屬要受到下一部分的拘束而不能自由收縮，于是鋼板產(chǎn)生了與加熱時(shí)相反的殘余彎曲變形，如下圖1中e）所示。同時(shí)在鋼板內(nèi)產(chǎn)生了如下圖1中e）所示的殘余應(yīng)力，即鋼板中部為壓應(yīng)力，鋼板兩側(cè)為拉應(yīng)力。

在日常生產(chǎn)中的焊件情況同上述第三種情況，焊后焊件既有焊接應(yīng)力存在，同時(shí)又會(huì)產(chǎn)生焊接變形。

圖1 鋼板邊緣一側(cè)加熱和冷卻時(shí)的應(yīng)力及變形

2.2 焊縫金屬的收縮。焊縫金屬冷卻時(shí)，焊縫由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)過程中焊縫體積會(huì)產(chǎn)生收縮。由于焊縫金屬與母材是緊密相連的，焊縫金屬冷卻收縮造成整個(gè)焊件產(chǎn)生一定變形，會(huì)在焊縫中產(chǎn)生殘余應(yīng)力。同時(shí)一條焊縫不會(huì)在同一時(shí)間形成的，焊縫中先結(jié)晶的部分要阻止后結(jié)晶部分的收縮，自然會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形。

2.3 金屬組織的變化。鋼在加熱及冷卻過程中發(fā)生內(nèi)部相變，會(huì)生成不同的組織，由于組織的不同，性能也存在差別，故此也會(huì)造成焊接應(yīng)力與變形。

3 焊接應(yīng)力與變形控制措施

3.1 設(shè)計(jì)措施。（1）盡可能減少結(jié)構(gòu)上焊縫的數(shù)量和焊縫尺寸。焊縫越多內(nèi)應(yīng)力源越多；焊縫尺寸的大小直接關(guān)系到焊接時(shí)受熱區(qū)大小。焊縫的數(shù)量及尺寸會(huì)引起構(gòu)件殘余應(yīng)力與變形的壓縮塑性變形區(qū)域面積大小。（2）合理的焊縫分布，焊縫間相隔一定的距離。焊縫過分集中會(huì)引起應(yīng)力分布不均勻，自然會(huì)出現(xiàn)多向應(yīng)力復(fù)雜情況。（3）采用剛性較小的接頭形式。

3.2 工藝措施。（1）焊前預(yù)熱法。在施焊前對焊件預(yù)熱，使焊件整體或局部加熱到一定溫度。對重要構(gòu)件的焊接、合金鋼的焊接及厚部件的焊接，都要求在焊前必須預(yù)熱時(shí)，一般采用焊前預(yù)熱法。（2）過程加熱法。焊接過程中加熱那些拘束焊接區(qū)自由伸縮的部位，使之與焊接區(qū)同時(shí)膨脹和同時(shí)收縮，使構(gòu)件焊接應(yīng)力減小。（3）焊后熱處理。在焊接完成后對焊件整體或局部進(jìn)行熱處理，使接頭的金相組織得到改善，提高了焊接接頭的塑性、韌性，從而改善了焊接接頭的綜合機(jī)械性能，消除焊接應(yīng)力的目的。（4）冷焊法。冷焊法是通過減少焊件受熱來減小焊接部位與結(jié)構(gòu)上其它部位間的溫度差。具體操作是盡量采用小的熱量方法施焊，選用小電流、熔深淺、短段、斷續(xù)分層焊，錘擊焊縫除應(yīng)力施工方式。（5）降低焊縫的拘束度。平板上鑲板的封閉焊縫焊接時(shí)拘束度大，焊后焊縫縱向和橫向拉應(yīng)力增大，很容易產(chǎn)生裂紋。降低其殘余應(yīng)力，應(yīng)設(shè)法減小該封閉焊縫的拘束度。（6）合理的焊接施工。合理進(jìn)行裝配焊接順序施工就是使每條焊縫盡可能自由收縮的焊接順序：1）在一個(gè)平面上焊接時(shí)應(yīng)保證焊縫的兩個(gè)方向收縮都不受拘束；2）先焊收縮量大的焊縫；3）先焊構(gòu)件受力最大的焊縫。

4 小結(jié)

以上主要對焊接變形與應(yīng)力的基本知識(shí)、形成基本原因作了介紹，控制措施沒有介紹具體方法，隨著工業(yè)水平發(fā)展控制辦法更加多樣。

[1]“金屬工藝學(xué)”鄧文英 郭曉鵬高等教育出版社2008.12

[2]陳祝年.焊接工程師手冊北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010