焊接應(yīng)力和焊接變形控制的研究

秦國(guó)振 劉超 陳永強(qiáng)

摘要：在實(shí)際焊接加工生產(chǎn)過(guò)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)行詳細(xì)闡述，來(lái)幫助人們解決焊接生產(chǎn)過(guò)程中遇到的一些實(shí)際問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：焊接應(yīng)力;焊接變形;控制方式

中圖分類號(hào)：TG404 ????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

從對(duì)焊接的殘余應(yīng)力的分類、產(chǎn)生原因及解決措施等方面進(jìn)行剖析，闡述了應(yīng)對(duì)殘余應(yīng)力的幾條建議，希望對(duì)類似工程提供可供參考和借鑒的意見

1、焊接應(yīng)力與焊接變形的定義

1）焊接應(yīng)力：鋼材在焊接過(guò)程中，焊件部位會(huì)因?yàn)楹附訒r(shí)的局部高溫產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)。高溫時(shí)，有一部分鋼材會(huì)產(chǎn)生很大的膨脹和伸長(zhǎng)，但由于受到鄰近鋼材的約束影響，會(huì)在焊件內(nèi)部產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力。在焊接的過(guò)程中，這種收縮應(yīng)力伴隨著焊接時(shí)間的變化和溫度的升降變化不斷的改變，而這種收縮應(yīng)力就被定義為焊接應(yīng)力。2）焊接變形：焊接構(gòu)件在焊接及逐漸冷卻的過(guò)程中，由于焊接構(gòu)件局部受熱且受熱不均勻，同時(shí)焊接構(gòu)件冷卻也不均勻，因此焊接構(gòu)件不僅會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力，還會(huì)產(chǎn)生各種變形。這種焊件產(chǎn)生的變形，被稱為焊接變形。

2、焊接應(yīng)力與焊接變形產(chǎn)生的原因

在焊接的過(guò)程中，由于對(duì)焊接鋼構(gòu)件局部加熱，使得焊縫附近區(qū)域的溫度很高，而遠(yuǎn)離焊縫的金屬基本上不受熱，其溫度與室內(nèi)溫度差不多。在焊接鋼構(gòu)件局部加熱的過(guò)程中，焊縫附近金屬由于受熱作用會(huì)產(chǎn)生膨脹。而遠(yuǎn)離焊縫的金屬未受熱不發(fā)生膨脹，但卻會(huì)嚴(yán)重制約焊縫附近金屬的膨脹過(guò)程，這樣使得焊縫附近金屬會(huì)產(chǎn)生部分塑性變形。同樣，在焊接金屬冷卻時(shí)也會(huì)受到周邊未加熱金屬的影響，制約了焊接金屬自由塑性收縮，使整個(gè)焊接鋼構(gòu)件均產(chǎn)生了收縮現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力及焊接變形，這樣就使得焊接產(chǎn)生了各種變形。

3、焊接應(yīng)力與焊接變形的種類

3.1焊接應(yīng)力種類

鋼材從開始焊接到鋼材冷卻后，鋼材內(nèi)部由于溫度變化引起的熱脹冷縮到達(dá)到室溫時(shí)還有殘存的應(yīng)力存在，這種應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力按受力方向可分為以下三種：1）縱向焊接殘余應(yīng)力;鋼材焊接時(shí)，焊件上會(huì)產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，焊縫及其附近溫度可達(dá)到1600℃，而其鄰近部位溫度相對(duì)較低。鋼材在高溫處變形大，而低溫處變形小，高溫處變形受到低溫處鋼材的限制，就會(huì)產(chǎn)生熱狀態(tài)下的塑性壓縮變形。焊縫冷卻至常溫時(shí)，與初始長(zhǎng)度相比，被塑性壓縮的焊縫區(qū)長(zhǎng)度變短了，同時(shí)兩側(cè)鋼材限制了這種縮短變形，以至于焊縫區(qū)出現(xiàn)了縱向的拉應(yīng)力，這就是所謂的縱向焊接殘余應(yīng)力。2）橫向焊接殘余應(yīng)力;橫向焊接殘余應(yīng)力有兩部分組成。一部分是焊縫發(fā)生縱向收縮，使得兩塊鋼板發(fā)生反向的彎曲變形。兩塊鋼板通過(guò)焊縫連接可以連成一個(gè)整體。但焊縫的作用會(huì)使得兩塊鋼板中間有橫向拉應(yīng)力產(chǎn)生，而兩端會(huì)有壓應(yīng)力產(chǎn)生。另一部分是由于焊接順序的不同導(dǎo)致焊縫的冷卻時(shí)間不一致，最開始焊縫先凝固同時(shí)具有一定的強(qiáng)度，這樣就阻止了后來(lái)焊的焊縫的橫向自由膨脹，使得后焊的焊縫發(fā)生了橫向塑性壓縮變形。由于先焊焊縫凝固，中間焊縫再逐漸凝固，后焊焊縫最后才凝固，這三部分會(huì)產(chǎn)生杠桿作用，后焊部分因?yàn)槭湛s而受垃，先焊部分因杠桿作用也受垃，而只有中間部分受壓。這兩種橫向應(yīng)力通過(guò)疊加成為最后的橫向殘余應(yīng)力。3）沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力;厚度比較大的鋼板進(jìn)行焊接時(shí)，由于焊縫與鋼板接觸面和空氣接觸，使得其散熱較快而先冷卻，但內(nèi)部的焊縫不與空氣接觸而后冷卻，后冷卻的焊縫的收縮變形會(huì)受到外面已凝固的焊縫阻礙，從而形成了中間受垃、四周受壓的應(yīng)力狀態(tài)。

3.2焊接變形種類

按焊接殘余變形的外觀形態(tài)分為以下幾種變形。1）縱向變形—焊接后指的是焊件沿著焊接方向發(fā)生收縮。2）橫向變形—焊接后指的是焊件垂直于焊接方向發(fā)生收縮。3）撓曲變形—穿過(guò)焊縫線并與板件垂直的平面內(nèi)變形。4）角變形—焊接后構(gòu)件的平面圍繞焊縫產(chǎn)生的角位移。5）波浪變形—焊接后構(gòu)件呈現(xiàn)波浪形。6）扭轉(zhuǎn)變形—焊接后結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)扭曲。

4、焊接應(yīng)力與焊接變形控制措施與策略

以焊接為例，建議采用如下措施與策略實(shí)現(xiàn)焊接應(yīng)力與焊接變形的有效控制。

4.1焊接應(yīng)力的控制措施與策略

控制焊接應(yīng)力的方法有很多，較為常用的方法主要有以下幾種：（1）采用振動(dòng)時(shí)效法消除焊接殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)焊接應(yīng)力的有效控制。即應(yīng)用偏心輪與變速電動(dòng)機(jī)構(gòu)成激振器根據(jù)外形特征以及產(chǎn)生應(yīng)力的實(shí)際情況，在應(yīng)力產(chǎn)生部分給予適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)，從而使產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)構(gòu)建內(nèi)部殘余應(yīng)力的有效消除，提升構(gòu)建結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。（2）利用間斷焊接法進(jìn)行焊縫應(yīng)力的有效控制。例如，在對(duì)進(jìn)行電弧冷焊的過(guò)程中，對(duì)焊縫進(jìn)行短時(shí)間多次數(shù)焊接，讓構(gòu)建始終處于冷卻狀態(tài)，從而降低熱源過(guò)性能的影響，實(shí)現(xiàn)焊接應(yīng)力的有效控制。該方法的缺點(diǎn)在于所需焊接工期相對(duì)較長(zhǎng)，但焊接應(yīng)力控制效果相對(duì)較好。（3）對(duì)焊縫尺寸進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，合理安排焊縫焊接順序。即，在焊接過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況與要求適當(dāng)?shù)臏p小焊縫尺寸、焊縫坡口角度，從而降低焊縫橫截面積對(duì)焊縫應(yīng)力與焊縫變形存在的影響。同時(shí)，在焊縫設(shè)計(jì)過(guò)程中，避免焊縫應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生，可盡量采用雙面焊接坡口的形式進(jìn)行焊接實(shí)踐操作。此外，在焊接過(guò)程中應(yīng)遵循“先焊中間，后焊周邊”的原則，進(jìn)行實(shí)踐操作。例如，在鋼板拼接時(shí)，應(yīng)該先對(duì)相互錯(cuò)開的短焊縫進(jìn)行有效焊接，在進(jìn)行長(zhǎng)焊縫的焊接。在焊接長(zhǎng)焊縫時(shí)，應(yīng)從中間向兩端進(jìn)行依次收縮。（4）在焊接過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)減小焊縫焊接的拘束度，并對(duì)復(fù)雜焊接工藝進(jìn)行分解施工。一般情況下，給予焊接構(gòu)件的約束力越大，在焊接過(guò)程中構(gòu)件所產(chǎn)生的焊接應(yīng)力也就越大。對(duì)此，在焊接過(guò)程中，需根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)?shù)慕档秃缚p處的約束力。例如，在對(duì)長(zhǎng)構(gòu)件進(jìn)行焊接時(shí)，應(yīng)避免在組裝過(guò)程中進(jìn)行焊縫焊接，同時(shí)進(jìn)行板條拼接時(shí)需嚴(yán)格依據(jù)拼接工藝要求進(jìn)行實(shí)踐操作，并在焊縫焊接過(guò)程中，避免不能自行收縮問(wèn)題的產(chǎn)生。在多大型構(gòu)件進(jìn)行焊接時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)構(gòu)建進(jìn)行科學(xué)分解焊接，用以提升焊接簡(jiǎn)便性與準(zhǔn)確性[4]。

3.2焊接變形的控制措施與策略

關(guān)于焊接變形的有效控制：①應(yīng)從焊接設(shè)計(jì)階段入手，根據(jù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)形態(tài)、焊接要求等進(jìn)行焊接施工科學(xué)設(shè)計(jì)。在此過(guò)程中應(yīng)對(duì)不同焊接類型及其表現(xiàn)形式、特點(diǎn)具有準(zhǔn)確的認(rèn)知，從而選擇隨適宜的焊接形式進(jìn)行焊接，科學(xué)控制焊縫尺寸，做到焊縫數(shù)量最少、尺寸最小、構(gòu)件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響最低。②科學(xué)選擇焊縫位置，在焊接過(guò)程中可根據(jù)焊縫坡口形態(tài)，選擇相適宜的焊接方法，將焊縫位置控制在構(gòu)件截面對(duì)稱位置或者是構(gòu)件或截面中性軸位置，避免焊縫位置出現(xiàn)在高應(yīng)力區(qū)域范圍內(nèi)。此外，根據(jù)焊接需求科學(xué)選擇焊接方法，盡量選用快速焊接法或者是熱源較為集中的焊接法進(jìn)行操作。

結(jié)束語(yǔ)

總而言之，實(shí)現(xiàn)焊接應(yīng)力與焊接變形的有效控制，對(duì)提升焊接質(zhì)量，促進(jìn)焊接工藝優(yōu)化發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)此，在實(shí)際焊接操作過(guò)程中，相關(guān)工作人員需明確認(rèn)知焊接應(yīng)力與焊接變形影響因素，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件與焊接要求、焊接結(jié)構(gòu)采用行之有效的焊接方法與控制措施，實(shí)現(xiàn)焊接應(yīng)力與焊接變形的有效控制，提升焊接科學(xué)性、準(zhǔn)確性、精準(zhǔn)性。

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（作者單位：中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司）