焊件焊接應(yīng)力分析及防變形的工藝措施

劉軍瑩

【摘 要】焊接在工業(yè)生產(chǎn)加工等各個(gè)領(lǐng)域都是一種廣泛應(yīng)用的加工工藝，焊接件質(zhì)量水平高低直接影響了焊接對象的使用效果，因此，在焊接工藝中，焊件焊接應(yīng)力狀況及其防變形工藝是非常重要的，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，焊接技術(shù)也有了很大的提高，了解焊件焊接應(yīng)力情況，以及焊件出現(xiàn)變形問題的原因?qū)τ谔岣吆讣附討?yīng)力能力，防止焊件變形，提高焊件有著重要的意義，

【關(guān)鍵詞】焊接應(yīng)力分析；變形；膨脹壓縮；工藝措施

焊接是通過加熱、高溫或者高壓的方法將工件金屬和焊芯金屬連接在一起的工藝方法，因此，在加熱的過程中，焊件會(huì)隨溫度的變化產(chǎn)生變形，并且也出現(xiàn)了焊接部位的應(yīng)力情況。本篇論文詳細(xì)分析了焊件變形及其產(chǎn)生焊接應(yīng)力的原因，并幾種常見金屬材料的焊接特點(diǎn)進(jìn)行了闡述，并提出了防止焊接變形的工藝措施，對于提高焊件應(yīng)力情況，防止焊件變形，促進(jìn)焊接工藝水平的提高起到了非常好的借鑒作用。

一、焊接變形及產(chǎn)生焊接應(yīng)力的原因

（一）焊接過程中，焊工件受到不均勻的溫度影響，導(dǎo)致焊件出現(xiàn)了形狀上和尺寸上的變化。例如：縮短、角度變化、彎曲變形等。焊接工序開始之時(shí)焊件就會(huì)出現(xiàn)變形的情況，受到焊件所受溫度的變化移位而產(chǎn)生變化，熱脹冷縮現(xiàn)象也出現(xiàn)焊接工藝中，焊件受到高溫變開始膨脹變形，當(dāng)溫度下降焊縫處便開始凝固收縮，當(dāng)焊件溫度降至室溫時(shí)，變形隨之結(jié)束，焊件內(nèi)部受熱不均勻，出現(xiàn)了焊件的應(yīng)力情況，不均勻的溫度讓金屬局部出現(xiàn)了拉伸或者變形從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，焊接時(shí)表面和內(nèi)部的溫度冷卻程度不同，也引起了焊件變形；焊接是對局部進(jìn)行的一項(xiàng)工序，因此，焊接區(qū)域受熱時(shí)受到其他部位的壓力限制，出現(xiàn)變形，當(dāng)溫度降下來之后，在焊件中會(huì)出現(xiàn)殘余應(yīng)力、變形以及卷翹，這些問題嚴(yán)重影響了焊件的質(zhì)量和性能。

（二）焊接應(yīng)力是指焊接時(shí)引起的內(nèi)部應(yīng)力，它根據(jù)產(chǎn)生的不同時(shí)期分為焊接瞬時(shí)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。瞬時(shí)應(yīng)力受到溫度的變化而變化，殘余應(yīng)力，是溫度冷卻后產(chǎn)生的應(yīng)力。按照焊接應(yīng)力位置不同可分為：橫向應(yīng)力、縱向應(yīng)力以及厚向應(yīng)力。焊縫的縱向橫向收縮造成了焊接應(yīng)力的產(chǎn)生。自由狀態(tài)下，受約束的縱向收縮形成了平板對焊接縫橫向殘余用力，兩塊平板進(jìn)行焊縫時(shí)，縱向受溫度影響收縮，從而讓兩塊板反向彎曲變形，這樣焊縫中間截面處出現(xiàn)縫隙，而實(shí)際上是焊縫冷卻后出現(xiàn)橫向連接，導(dǎo)致焊縫中間受到橫向的拉伸，而兩側(cè)冷卻后壓縮，橫向殘余應(yīng)力拉應(yīng)力最大值大大低于壓應(yīng)力的最大值。由此可見，焊縫長度對縱向收縮引起的橫向殘余應(yīng)力分布會(huì)起到影響作用；另一方面，橫向應(yīng)力也會(huì)受到沿焊縫橫向收縮不一致的影響，在進(jìn)行焊接時(shí)，升溫區(qū)域金屬出現(xiàn)膨脹，降溫區(qū)域金屬出現(xiàn)收縮，這兩方面的制衡壓力形成里焊件的內(nèi)部應(yīng)力，膨脹部位受到壓力，壓縮部位受到拉力，溫度場不斷向前移位，受高溫出現(xiàn)膨脹過的區(qū)域溫度冷卻開始收縮，而先于它冷卻下來的金屬限制了這塊區(qū)域的收縮，在此同時(shí)，正在升溫膨脹的區(qū)域金屬也對這塊區(qū)域的壓縮產(chǎn)生影響，這樣最終冷卻下來的金屬形成拉應(yīng)力，與其相比鄰的金屬形成壓應(yīng)力。焊接過程中溫度場在不斷的產(chǎn)生移位，造成了內(nèi)部縱橫向的內(nèi)用力變化，縱截面上內(nèi)應(yīng)力的平衡形成了橫向應(yīng)力的分布，因此焊接過程中按照何種方位及順序進(jìn)行施焊會(huì)對橫向應(yīng)力的分布產(chǎn)生不同的影響。

二、常用金屬材料的焊接特點(diǎn)

（一）碳素鋼

碳素鋼分為：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼。低碳鋼塑性比較好，基本不會(huì)出現(xiàn)淬硬情況，在正常溫度下，一般不必進(jìn)行焊前預(yù)熱，焊接完成也不需要作熱處理工作，焊接性能比較好；相反，中碳鋼和高碳鋼這兩種材料含碳比較高，很容易出現(xiàn)淬硬及冷卻裂縫的情況，焊接過后焊縫會(huì)有氣孔現(xiàn)象，因此，焊接前需要提前進(jìn)行預(yù)熱，這兩種金屬材料的焊接性能比較差。

（二）合金鋼

合金鋼也分為低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼。在對低合金鋼進(jìn)行焊接時(shí)正?？蛇x用與低碳素鋼相似的焊接工藝，但也不能一概而論，因?yàn)楹辖痄摰暮附有阅苁艿胶辖鹪氐姆N類以及含量的影響，在對低合金鋼進(jìn)行較高級別的焊接強(qiáng)度時(shí)，焊接性能相比會(huì)很差，焊接過程容易出現(xiàn)冷卻裂縫問題，針對這種情況焊接時(shí)也選取合適的焊接工藝，對低合金材料進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后回火，可以避免焊件較厚及焊后硬化的問題；中合金鋼和高合金鋼相比低合金鋼含有較多的合金元素，因此焊接性能較差，合金元素越多，焊接時(shí)產(chǎn)生裂縫的問題也越大，合金元素不同，焊接時(shí)會(huì)表現(xiàn)出不一樣的特點(diǎn)和問題，在對合金進(jìn)行焊接時(shí)要充分考慮到這種金屬材料的特性，并采用與之對應(yīng)的焊接工藝。

（三）鑄鐵

鑄鐵是一種焊接性能較差的金屬材料，因其進(jìn)行焊接時(shí)，焊縫處的金屬的碳硅元素受到高溫影響容易出現(xiàn)燒損情況，焊縫處多出現(xiàn)氣孔和夾渣，焊接過程中不均勻的加熱或者冷卻會(huì)導(dǎo)致焊接位置出現(xiàn)白口組織和裂紋。

三、防止焊接變形的焊接工藝和措施

（一）依照合理的焊接順序施焊

依上文焊接應(yīng)力及變形產(chǎn)生原因分析可見，焊接順序?qū)τ诤附幼冃螘?huì)產(chǎn)生很大的影響，采用合理的焊接順序能夠有效控制焊接變形，了解焊接位置對變形產(chǎn)生的影響原理，利用不同時(shí)間，不同位置產(chǎn)生的焊接變形方向相反，大小相似，進(jìn)行壓力抵消，從而防止焊件變形；焊件金屬縱向和橫向的收縮受限引起的焊接應(yīng)力可通過詳細(xì)分析焊件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及焊縫的分布情況依據(jù)合理的焊接順序進(jìn)行施焊來減小。進(jìn)行焊接時(shí)，本著減少減少焊縫拘束原則，讓其進(jìn)行自由收縮，從兩側(cè)至中間施焊，保證焊接順序、方向、方向以及施焊次序在結(jié)構(gòu)和安排上做到對稱。減少變形因素的產(chǎn)生。

（二）采取剛性固定法

薄板焊接性能比較差，很容易出現(xiàn)焊接變形的情況，采用剛性固定法是當(dāng)薄板面積大，焊縫比較長時(shí)，運(yùn)用壓鐵方法，分別放在焊縫兩旁以減少焊接變形，剛性固定法，采用合理的組對組焊夾具，抵消兩側(cè)焊接時(shí)的壓力，將焊件固定起來進(jìn)行施焊，增加了剛性，減少了變形因素。

（三）針對不同的金屬材料選用不同的焊接工藝

金屬材料不同，焊接性能會(huì)有很大的差別，因此在進(jìn)行焊接時(shí)，首先要了解施焊對象的材料特點(diǎn)，焊接過程中容易出現(xiàn)的問題，并針對材料的特點(diǎn)和問題，合理選用焊接工藝，避免因?yàn)榻饘俨牧弦蚱涞暮附幼冃巍?/p>

四、結(jié)束語

綜上所述，焊接應(yīng)力和變形對產(chǎn)品的質(zhì)量和性能造成非常大的影響，能否控制好焊件變形，不光要了解金屬材質(zhì)，還要了解施焊結(jié)構(gòu)，了解其性能，采用合理的焊接工藝，從而提高焊接水平。

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