焊接應力與變形

呂鑫+曹陽

（沈陽東方鈦業(yè)股份有限公司）

摘 要：隨著社會飛速發(fā)展，人們在生活中對化工產(chǎn)品需求量很大，化工廠的大型化工設備需求量逐年增加，化工設備多數(shù)是高溫高壓設備，一旦泄露或爆炸，危險性非常高。因此制造化工設備質(zhì)量要求嚴格，焊接是關鍵工序，直接影響著化工設備的質(zhì)量。

關鍵詞：焊接應力 變形 焊縫

隨著社會飛速發(fā)展，人們在生活中對化工產(chǎn)品需求量很大，化工廠的大型化工設備需求量逐年增加，化工設備多數(shù)是高溫高壓設備，一旦泄露或爆炸，危險性非常高。因此制造化工設備質(zhì)量要求嚴格，焊接是關鍵工序，直接影響著化工設備的質(zhì)量。

焊接應力與變形往往使焊接產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至會因無法補救而不得不報廢。

焊接裂紋的產(chǎn)生與焊接應力有密切的關系。焊縫中的殘余應力還會影響承壓類特種設備的使用性能，殘余應力較大的部位往往會發(fā)生應力腐蝕或疲勞裂紋。

一般情況下，焊接變形是對焊接質(zhì)量不利的，但是若掌握了變形的機理和規(guī)律，便可控制它并利用它。如利用反變形來校正變形，或通過合理的焊接工藝減少焊接應力的產(chǎn)生。

一、焊接應力及變形的概念

在焊接過程中，工件受電弧熱的不均勻加熱而產(chǎn)生的內(nèi)應力及變形是暫時的。當工件冷卻后，仍然保留在工件內(nèi)部的內(nèi)應力及變形叫殘余應力及殘余變形。我們所說的焊接應力及變形就是指的焊接殘余內(nèi)應力和焊接的殘余變形。

由于焊接接頭型式、工件的厚度和形狀、焊縫的長度及其位置不同，焊接時會出現(xiàn)各種形式不同的變形。大體上可分為：縱向變形、橫向變形、彎曲變形、角變形、波浪變形及扭曲變形等。

二、焊接變形和應力的形成

焊接變形和應力是由許多因素同時作用造成的。其中最主要的因素有：焊件上溫度分布不均勻；熔敷金屬的收縮；焊接接頭金屬組織轉(zhuǎn)變及工件的剛性約束等。

1、焊件上溫度分布不均勻

由于電弧的作用，焊件局部被加熱到熔化溫度，焊縫與母材之間形成了很大的溫度梯度。按熱脹冷縮的原理，物體受熱要伸長，不同的溫度其伸長量不同，接頭的高溫區(qū)域要求伸長量大而受阻，形成了壓應力；而溫度較低的區(qū)域伸長量小的部分因抵抗高溫區(qū)的伸長，形成了拉伸應力。

冷卻過程中，熔化金屬的體積要收縮，而接頭以外的母材則限制了它的收縮便在焊縫區(qū)形成了拉伸應力，而母材臨近焊縫區(qū)承受了壓縮應力。

焊縫及近縫區(qū)的高溫時幾乎喪失了屈服強度，在應力的作用下便產(chǎn)生塑性變形，冷卻后，焊件內(nèi)形成了殘余應力和殘余變形。

2、熔敷金屬的收縮

焊縫金屬在凝固及隨后冷卻過程中，體積要收縮，在焊件內(nèi)引起變形和應力，其變形和應力的大小取決于熔敷金屬的收縮量，而熔敷金屬的收縮量又取決于熔化金屬的數(shù)量。如V型坡口的角變形，就是由于焊縫上部的熔敷金屬的熔敷量多，收縮量大，而焊縫下部的截面小，熔敷金屬的數(shù)量小，收縮量也小，上下收縮的不一致而造成的。

3、金屬組織的轉(zhuǎn)變

在焊接熱循環(huán)的作用下，金屬內(nèi)部顯微組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，各種組織的密度不同，便伴隨了體積的變化，處理了組織應力的內(nèi)應力。

焊接變形和應力還與焊接方法及焊接工藝參數(shù)有關。如氣焊時，熱源不集中，焊件上的熱影響區(qū)面積較電弧焊大，所有產(chǎn)生的焊接變形和應力也大。又如電弧焊時，電流大或者焊接速度慢導致熱影響區(qū)增大，產(chǎn)生的焊接變形和應力也增大。如易淬火鋼在焊接熱循環(huán)的作用下由高溫奧氏體（密度0.1275）冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體（密度為0.1310），體積變化近10%。

4、焊件的剛性拘束

如果焊接自身的剛性很大，或在緊固的條件下施焊，拘束條件限制了焊件再熱循環(huán)作用下的自由伸長和收縮，這可控制焊接變形，但焊件中卻形成了較大的內(nèi)應力。

四、焊接應力的危害

1、對結(jié)構完整性的影響

焊接熱應力可促使焊縫產(chǎn)生熱裂紋，殘余應力導致焊后延遲裂紋的形成。

2、對結(jié)構服役性能的影響

焊接殘余應力可以加速疲勞破壞，導致應力腐蝕開裂（包括硫化物引起的開裂和堿脆破壞），產(chǎn)生低溫脆斷破壞，促進材料的腐蝕磨損等，壓縮殘余應力還會造成薄板結(jié)構或細長桿件的壓曲失穩(wěn)，產(chǎn)生面外變形。

五、焊接應力的控制措施

焊接件內(nèi)殘留有內(nèi)應力是不可避免的，但可以根據(jù)其產(chǎn)生機理和規(guī)律尋找一些措施來有效控制它，使之危害程度降至最小。

控制內(nèi)應力的方法基本要點有兩個：使焊件上熱量盡量均勻和盡量減少對焊縫自由收縮的限制。通常采用的工藝措施如下：

1、合理的裝配與焊接順序

主要是在裝配和施焊的順序安排上盡量使焊縫能自由的收縮，便可有效的控制焊接應力。

（1）先焊變形收縮量較大的焊縫，使基能較自由地收縮。如一個帶蓋板的雙工字鋼構件，由于對接焊縫的收縮量大于角焊縫的收縮量，所以應先焊蓋板的對接焊縫，后焊蓋板和工字梁之間的角焊縫。又如，薄板焊接后收縮量大，厚板焊接后收縮量相對小，先焊的部位焊接變形大，后焊的焊接變形相對小。對于碳鋼和不銹鋼來說，不銹鋼變形大，碳鋼的變形相對小，對于焊接后需要機械加工的部件，要考慮焊接變形量和機械加工余量。

（2）先焊錯開的短焊縫，后焊直通長焊縫。如大直徑的底板，往往采用多塊板材拼接，焊接時，應先焊接較短的縱向焊縫，后焊接長的橫向焊縫。

（3）先焊在工作時受力較大的焊縫，使內(nèi)應力合理分布。如球罐的現(xiàn)場焊接，采用對稱施焊。減少應力分布。也可以采用分段退焊，避免十字焊縫等方法。避免應力集中。

2、焊前預熱

被焊工件各部位的溫差越大，焊接冷卻速度越快則焊接接頭的殘余應力越大，預熱既能減少工件各部位的溫差，又能減緩冷卻速度，所有是降低焊接殘余應力的有力措施之一。

預熱可局部預熱或整體預熱。對剛性大，厚度大的工件，應整體預熱，這樣降低殘余應力的效果更佳。

除了以上控制應力的方法外，還有在焊接結(jié)構設計采取措施。如：堆成布置焊縫、避免封閉焊縫等，以及對阻礙焊接接頭自由收縮的部位加溫，使之與焊縫同步收縮，這種方法稱為”減應法”。

六、消除焊接應力的方法

消除焊接應力的方法主要有：熱處理法，機械法和振動法。

1、熱處理法

焊后熱處理是消除殘余應力的有效方法，也是廣泛采用的方法。它可分為整體熱處理和局部熱處理。

一般是將被焊工件加熱到A1線以下，保溫均溫，再緩慢冷卻，以達到殘余應力消除。

如Q235B，Q345R材料焊后熱處理的溫度一般選為620±20℃。

2、機械法

用機械的方法施加外力使冷卻后的焊縫金屬產(chǎn)生延展，已達到消除應力的目的，這種方法叫機械法消除應力。如錘擊焊縫；在卷板機上碾壓焊縫；對焊接結(jié)構實行由控制的過載等都是機械法消除應力的方法。

3、振動法

以低頻振動整個構件以達到消除應力的目的。一般鋼結(jié)構件需要消除應力采用。

綜上所述，焊接過程的應力有一定的危害。通過合理的焊接工藝及后續(xù)的消除焊接應力的辦法，減少焊接應力，對提高產(chǎn)品質(zhì)量有很多意義。