焊接應(yīng)力變形原理若干問題的探討

摘要：金屬結(jié)構(gòu)在常溫情況下是穩(wěn)定的，但在焊接過程中，受熱部位會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形，如不對(duì)此情況展開控制措施，就不能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量，甚至使產(chǎn)品報(bào)廢。傳統(tǒng)的焊接工藝中會(huì)產(chǎn)生多種很難避免的質(zhì)量問題，如何發(fā)展采取措施減小在焊接過程中不產(chǎn)生焊接應(yīng)力和焊接變形，在現(xiàn)實(shí)中具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：焊接應(yīng)力;變形原理;問題探討

1.焊接應(yīng)力與焊接變形產(chǎn)生的原因

與焊接接頭區(qū)產(chǎn)生的縮短不協(xié)調(diào)應(yīng)變相對(duì)應(yīng)在構(gòu)件中會(huì)形成自身相平衡的內(nèi)應(yīng)力，即為焊接應(yīng)力。焊接接頭區(qū)金屬在冷卻到較低溫度時(shí)，材料恢復(fù)到彈性狀態(tài);此時(shí)若有金屬組織變化，則伴隨體積變化出現(xiàn)相變應(yīng)力。

焊接熱輸入引起材料不均勻加熱，使焊縫區(qū)熔化，在熱傳導(dǎo)作用下致使焊接接頭形成了高溫區(qū)，材料的發(fā)生熱膨脹則受到周圍母材形成的低溫區(qū)域的限制，產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性變形;在冷卻過程中已產(chǎn)生的壓縮塑性變形的這部分材料又受到周圍材料的限制而不能自由收縮，不同程度上又被拉伸而卸載;與此同時(shí)熔池凝固金屬冷卻收縮也產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力與變形，也就是高溫焊縫區(qū)受到拉應(yīng)力，在焊接接頭區(qū)產(chǎn)生了縮短的不協(xié)調(diào)應(yīng)變。

2.焊接應(yīng)力的危害

在溫度、時(shí)間等的作用下焊接應(yīng)力會(huì)逐漸變低，這種降低容易造成焊接件的整體形狀、尺寸發(fā)生一些變化。因受阻而發(fā)生焊接區(qū)收縮的拉應(yīng)變，當(dāng)其超出該材料的承受范圍時(shí)，則會(huì)在焊接區(qū)造成裂紋焊接區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)往往復(fù)雜多變，且峰值往往很高，在高應(yīng)力區(qū)常常發(fā)生過塑性拉伸，降低材料的塑性及工件的抗疲勞強(qiáng)度。這對(duì)承受動(dòng)載荷的結(jié)構(gòu)危害很大。應(yīng)力腐蝕速度受到拉應(yīng)力的影響會(huì)加快。

3.消除焊接應(yīng)力的方法

3.1控制焊接應(yīng)力的產(chǎn)生

通常采用的工藝措施有：預(yù)熱法。因?yàn)橥ǔ１缓覆考鞑课坏臏夭钤酱?，焊縫的冷卻速度越快。那么焊接接頭的殘余應(yīng)力就越大。預(yù)熱既能減小工件各部位的溫差，又能減緩冷卻速度。它是降低焊接殘余應(yīng)力的有力措施之一;采用合理的焊接次序。是盡量使焊縫能比較自由的收縮，尤其是對(duì)那些收縮比較大，殘余應(yīng)力比較大的焊縫。

3.2消除焊接應(yīng)力的措施

焊接過程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接規(guī)范參數(shù)，選擇合理的焊接順序以及采用隨焊兩側(cè)加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施。采用隨焊兩側(cè)加熱，橫向應(yīng)變、縱向應(yīng)變和最大剪切應(yīng)變的分布更加均勻，變化更加平緩，起到減小焊接殘余應(yīng)力和變形的作用。采用隨焊碾壓、隨焊兩側(cè)加熱、隨焊跟蹤激冷等措施可以降低殘余應(yīng)力和減小焊接變形。選擇線能量較低的焊接方法以及合理地控制焊接規(guī)范參數(shù)可以有效地防止焊接變形。隨焊激冷法能夠顯著地降低殘余應(yīng)力和減少焊接變形[1]。隨焊碾壓法由于設(shè)備復(fù)雜、使用不便等原因，在生產(chǎn)應(yīng)用中受到一定的限制，但該方法在提高焊接變形等方面具有理想的效果。焊接順序?qū)附託堄鄳?yīng)力和變形的產(chǎn)生影響較大，在采用不同的焊接順序時(shí)，可以改變殘余應(yīng)力的分布規(guī)律?，但對(duì)殘余應(yīng)力整體幅值的降低作用不大，同時(shí)該方法對(duì)于控制焊接變形有較大的作用，尤其在多道焊中，作用更加明顯。

4.焊接變形的控制措施

4.1選擇合理的焊縫以消除焊接變形的影響

整個(gè)焊接過程中是至關(guān)重要的一步就是焊縫的設(shè)定，對(duì)于相同材質(zhì)的母材來講，焊縫留的空隙過大，會(huì)消耗過多的焊材，同時(shí)對(duì)于焊接的質(zhì)量也會(huì)有所影響，焊材的密度一般要低于母材，這樣對(duì)于構(gòu)件的穩(wěn)定性也會(huì)造成影響。基于不同母材的結(jié)構(gòu)參數(shù)，也就是幾何形狀以及板材厚度等因素，綜合考慮其焊縫所帶來的影響。如果焊縫留得過小，那么對(duì)于冷卻時(shí)間就會(huì)過快，不利于焊接，對(duì)于焊接的力學(xué)性能和粘合性都會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量性的影響[2]。

4.2預(yù)先留出保證焊縫能夠自由收縮的余量

4.2.1采用“冷焊”的方法

這種方法的原則是使整個(gè)結(jié)構(gòu)上的溫度分布盡可能均勻，即要求焊接部位這個(gè)“局部”的溫度應(yīng)盡量控制得低些，同時(shí)這個(gè)“局部”在結(jié)構(gòu)這個(gè)“整體”中所占的面積范圍應(yīng)盡量小些。

4.2.2開緩和槽減小應(yīng)力法

厚度大的焊件剛性大，焊接時(shí)容易產(chǎn)生裂紋，在不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能的前提下，可以采用在焊縫附近開緩和槽的方法來減小焊接應(yīng)力，避免裂紋的產(chǎn)生。

4.2.3采用加熱減應(yīng)區(qū)法

這種方法又稱為加熱去除約束法。就是加熱那些阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位既減應(yīng)區(qū)，使之與焊接區(qū)同時(shí)膨脹和同時(shí)收縮，起到減小焊接應(yīng)力的作用。

5.對(duì)于焊接變形的矯正

局部熱矯正多采用火焰對(duì)焊接構(gòu)件局部加熱，在高溫處，材料的熱膨脹受到構(gòu)件本身剛性制約，產(chǎn)生局部壓縮塑性變形，冷卻后收縮，抵消了焊后部位的伸長(zhǎng)變形，達(dá)到矯正目的，火焰加熱法采用一般的氣焊焊炬，不需要專門的設(shè)備，方法簡(jiǎn)便靈活，因此在生產(chǎn)上廣為應(yīng)用。?整體熱矯正是指將整體構(gòu)件加熱至鍛造溫度以上再進(jìn)行矯正的方法，可用以消除較大的形狀偏差[3]。但是焊后整體加熱容易引起冶金方面的副作用，限制了該方法的進(jìn)一步推廣及應(yīng)用。?此外，還有利用機(jī)械力或沖擊能等進(jìn)行焊接變形矯正，包括靜力加壓矯直法、焊縫滾壓法、錘擊法等。

6.結(jié)束語

焊接熱輸入的不均勻產(chǎn)生的壓縮塑性變形是產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的根本原因;工藝因素和結(jié)構(gòu)因素構(gòu)成焊接應(yīng)力和變形產(chǎn)生的外部拘束條件。本文通過對(duì)焊接的原理在對(duì)其基本結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)方面，對(duì)焊接過程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力的產(chǎn)生和焊接變形提出了一些改良方式，正確編制焊接工藝，采用合理有效的焊接方法和預(yù)防控制措施，減小焊接變形和焊接應(yīng)力。同時(shí)本文也針對(duì)已經(jīng)焊接變形提出一些矯正措施，這對(duì)于后期產(chǎn)品的使用是十分必要的。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉洪林.焊接應(yīng)力與焊接變形的產(chǎn)生原因與控制措施[J].?科技信息.2012.01：222+177.

[2]陳鋒.焊接工藝對(duì)不銹鋼焊接變形的研究[D].上海交通大學(xué).2009.

[3]趙小娜.淺談焊接應(yīng)力與焊接變形產(chǎn)生的原因及控制措施[J].科技創(chuàng)業(yè)家.2013.16：68.

作者簡(jiǎn)介：孔凡玉（1973.7.15-），中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，大本，工程師。