焊接應(yīng)力與焊接變形及其控制方式

王珂 劉守熠

摘要：在焊接接頭冷卻過程中，產(chǎn)生壓縮塑性變形的焊縫區(qū)由于不能恢復(fù)到原來狀態(tài)，要縮短，由于內(nèi)外拘束條件的限制，焊縫金屬產(chǎn)生了拉應(yīng)力。 在實(shí)際焊接加工生產(chǎn)過程中，焊接殘余應(yīng)力與焊接變形，會(huì)對(duì)焊接構(gòu)件的質(zhì)量及加工精度有著至關(guān)重要的影響。本文主要研究焊接應(yīng)力與焊接變形產(chǎn)生原因;焊接殘余應(yīng)力及焊接變形的危害及控制方式等方面進(jìn)行探討分析。

關(guān)鍵詞：焊接應(yīng)力;焊接變形;控制方式

引言

在焊接過程中，焊縫金屬在熱膨脹過程中受到處于相對(duì)低溫區(qū)的母材金屬的內(nèi)拘束和結(jié)構(gòu)外拘束，不能夠自由膨脹而產(chǎn)生壓應(yīng)力，壓應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度時(shí)，這樣就產(chǎn)生了壓縮塑性變形，隨著變形量的增加，焊接應(yīng)力減小，焊接變形成了應(yīng)力的釋放形式，由于材料還未成為完全塑性材料，在材料內(nèi)部還會(huì)產(chǎn)生壓縮彈性變形，為使整個(gè)構(gòu)件平衡，接頭高溫區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力，母材低溫區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力。本文對(duì)焊接應(yīng)力與焊接變形及其控制方式進(jìn)行了探討分析。

一、焊接殘余應(yīng)力與焊接變形產(chǎn)生的原因

由于焊接溫度發(fā)生了變化使焊件熱脹冷縮，從而焊件之間相互約束，故在焊縫周圍就會(huì)產(chǎn)生互相阻礙約束的力。焊接殘余應(yīng)力當(dāng)焊接應(yīng)力超出彈性極限時(shí)，焊接變形不能隨應(yīng)力的消除而消失，就會(huì)殘留在焊件里。在焊接過程中，當(dāng)焊條加熱融化時(shí)會(huì)引起焊縫周圍局部溫度過高，在熔池的高溫材料會(huì)受熱膨脹，在膨脹過程就會(huì)產(chǎn)生變形。同時(shí)，在冷卻過程中，由于周圍材料的限制，不能使之前發(fā)生變形的那部分材料自由收縮，這在不同程度上又會(huì)產(chǎn)生拉伸變形。

二、焊接殘余應(yīng)力的危害。

焊接殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的承載能力有著極為重要的影響;會(huì)使構(gòu)件容易產(chǎn)生脆性斷裂;降低構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度;降低構(gòu)件的剛度極其穩(wěn)定性能;并且應(yīng)力區(qū)域存在腐蝕開裂缺陷;也會(huì)降低構(gòu)件的精度和穩(wěn)定性能。

1、對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。當(dāng)外部載荷與構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力疊加達(dá)到屈服極限時(shí)，就會(huì)使構(gòu)件產(chǎn)生塑性變形，從而降低承受載荷的有效截面積，構(gòu)件剛度降低。

2、對(duì)穩(wěn)定性的影響。當(dāng)外部載荷產(chǎn)生應(yīng)力與結(jié)構(gòu)中的局部載荷疊加后達(dá)到屈服點(diǎn)后，就會(huì)減小有效截面積，從而降低了受壓件的穩(wěn)定性。

3、對(duì)靜載強(qiáng)度的影響。通常情況下，只要應(yīng)力集中現(xiàn)象不是很明顯，對(duì)于塑性材料來說，靜載強(qiáng)度不會(huì)受殘余應(yīng)力的影響。然而，殘余應(yīng)力過于集中會(huì)降低脆性材料的強(qiáng)度。

4、對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度也存在一定的影響，如果應(yīng)力集中的的地方存在殘余應(yīng)力，就會(huì)是疲勞強(qiáng)度降低。

5、對(duì)構(gòu)件制造精度和尺寸保證性能的影響。假如構(gòu)件殘余應(yīng)力，當(dāng)加工制造時(shí)，會(huì)打破原來的應(yīng)力平衡，應(yīng)力平衡被破壞，會(huì)一定程度上造成零部件輕微變形，將會(huì)影響加工精度。

三、降低焊接應(yīng)力的措施

3.1設(shè)計(jì)措施

1、設(shè)計(jì)構(gòu)件時(shí)盡量減少焊縫的尺寸與數(shù)量，這樣可以減少變形量，同時(shí)降低焊接應(yīng)力。

2、使焊縫分散布置，避免集中，防止盈利疊加現(xiàn)象。3、對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化。

3.2工藝措施

1、采用較小的焊接線能量。降低受熱塑性變形的能力。

2、合理安排裝配焊接順序。合理的焊接順序，可以使焊縫自由收縮，從而達(dá)到降低焊接應(yīng)力的目的。

3、層間進(jìn)行錘擊。利用小錘輕敲焊縫及其周圍區(qū)域，這樣能使金屬晶粒之間的應(yīng)力得到釋放，從而減小焊接應(yīng)力。

4、焊接高強(qiáng)鋼時(shí)，選擇塑形較好的焊條。焊縫的金屬填充物具有良好的塑性變形，可降低焊接應(yīng)力。

5、采用熱處理方法。將構(gòu)件的溫度升高至某一數(shù)值，內(nèi)應(yīng)力可以部分得到釋放，殘余應(yīng)力也會(huì)有所降低。

6、預(yù)熱拉伸（機(jī)械拉伸或加熱拉伸）補(bǔ)償焊縫收縮。采用預(yù)熱或機(jī)械拉伸的方式處理阻止焊縫區(qū)域進(jìn)行收縮的部位，使之與焊接區(qū)域同時(shí)膨脹或收縮，就可以減小焊接應(yīng)力。

7、采用整體預(yù)熱。把零部件分散預(yù)熱會(huì)造成預(yù)熱不均勻現(xiàn)象，構(gòu)件整體上存在溫差，溫差越大，殘余應(yīng)力越大。

8、利用振動(dòng)法來消除焊接殘余應(yīng)力。當(dāng)構(gòu)件承受變載荷達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，經(jīng)過反復(fù)震動(dòng)后，構(gòu)件中的殘余應(yīng)力也會(huì)有所降低，即利用震動(dòng)方法可以消除部分殘余應(yīng)力。對(duì)于大型焊件，一般采用振動(dòng)器來消除焊接殘余應(yīng)力。振動(dòng)法的優(yōu)越性在于設(shè)備簡單，時(shí)間比較短，成本比較低，不像高溫加熱一樣會(huì)使構(gòu)件得到氧化，這種方法在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。

四、焊接變形的危害與預(yù)防措施

4.1焊接變形的危害

降低裝配質(zhì)量;影響外觀質(zhì)量;降低承載力;增加矯正工序;提高制造成本。

4.2優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、合理設(shè)計(jì)焊縫位置，盡量分散設(shè)計(jì)，并關(guān)于構(gòu)件截面的中性軸對(duì)稱。2、優(yōu)化焊縫尺寸及其形狀。盡量采用短焊縫，避免過長焊縫。3、盡量減少焊縫的長度及其數(shù)量。

4.3采取合理的裝配工藝

1、預(yù)留收縮余量法：為了防止焊件焊后發(fā)生尺寸收縮，可以事先將收縮的尺寸預(yù)留出來，并通過估算，經(jīng)驗(yàn)，實(shí)測(cè)三者結(jié)合的方式計(jì)算預(yù)留量。

2、反變形法：所謂的反變形法就是在焊接裝配前，先將焊件向焊接相反的方向進(jìn)行變形。采用這種方法只要預(yù)計(jì)準(zhǔn)確，控制得當(dāng)，會(huì)收到良好的效果。

3、剛性固定法：剛性固定法在焊接過程中應(yīng)用比較廣泛，適用于較小的焊件，其中在預(yù)防角變形和波浪變形過程中應(yīng)用廣泛。并且這種方法在大型儲(chǔ)罐底焊接時(shí)應(yīng)用較多，常在焊縫倆側(cè)加型鋼。

4、合理分配裝配順序：對(duì)于大型構(gòu)件可以通過劃分多個(gè)區(qū)域的方式進(jìn)行焊接，然后再拼焊成一個(gè)整體。采用這種方式的好處在于小構(gòu)件可以自由收縮，不至于引起整體的結(jié)構(gòu)變形。例如，可以采用先焊短焊縫后焊長焊縫的形式進(jìn)行焊接。

4.4采取合理的焊接工藝措施

合理的焊接方法。盡量使氣體保護(hù)焊取代焊條電弧焊，因?yàn)闅怏w保護(hù)焊的熱源比較集中，尤其不宜使用氣焊。合理的選擇焊接線能量。要想有效的減少焊接變形，必須減少焊接線能量的輸入。合理安排焊接順序和方向。除打底層不宜進(jìn)行錘擊外，盡量進(jìn)行層間錘擊。

結(jié)語：

焊接構(gòu)件采用哪種方法控制應(yīng)力及變形，要進(jìn)行具體分析。根據(jù)不同狀況，選擇一種或多種控制措施。從而達(dá)到既保證安全又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。從設(shè)計(jì)及工藝兩方面綜合考慮各種影響焊接變形的因素并采取相應(yīng)的措施，就能有效地控制焊接變形，取得令人滿意的效果。

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