淺談焊接應(yīng)力和變形的控制方法

劉春 臧立歡 劉永慶

摘 要：常溫下，金屬結(jié)構(gòu)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，這種情況如不采取措施控制，產(chǎn)品質(zhì)量將得不到保證，甚至使產(chǎn)品報(bào)廢。為有效的控制由于焊接熱過程引起的應(yīng)力和變形，對(duì)焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因和形成焊接變形的基本規(guī)律進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的控制措施。

關(guān)鍵詞：焊接變形；焊接應(yīng)力；產(chǎn)生原因；控制措施

一、焊接應(yīng)力的產(chǎn)生及危害

焊接過程中焊接件熱量傳輸?shù)牟黄胶猱a(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，使材料產(chǎn)生不均勻的膨脹與收縮，從而形成內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)。此外，焊件在熱循環(huán)的作用下，焊縫內(nèi)部金屬組織發(fā)生變化，產(chǎn)生相變應(yīng)力。持此之外，剛性固定以及焊接件之間相互關(guān)聯(lián)，也會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力。室溫下，殘存于焊接件中的內(nèi)應(yīng)力影響焊接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、受壓穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性和加工精度等。

二、焊接應(yīng)力與焊接變形產(chǎn)生的原因

1、焊件不均勻受熱

焊接整體在焊接時(shí)溫度是不均勻的，焊接部分溫度高，膨脹量大，同一焊體中，其他部位溫度低，膨脹量小，受此影響，在焊件內(nèi)出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，使溫度區(qū)的材料受到擠壓，產(chǎn)生局部壓應(yīng)變。在冷卻過程中，已經(jīng)形成壓應(yīng)變的材料，由于不能自由收縮而受到拉伸，于是焊件中又出現(xiàn)與焊接加熱時(shí)方向大致相反的應(yīng)力。

2、焊縫金屬的收縮

當(dāng)焊縫金屬由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，此時(shí)由于受冷，體積收縮，而焊縫金屬與母材料是一體的，這便限制了焊體的收縮，這種情況將使整個(gè)焊件變形，而且在焊縫中會(huì)引起殘余應(yīng)力。

三、防止和減小焊接變形和應(yīng)力的措施

1、焊接結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)

避免焊接殘余變形與應(yīng)力，需采用合作的設(shè)計(jì)方案。在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到以下事項(xiàng)：焊縫數(shù)理和尺寸是引起焊接變形與應(yīng)力的因素之一，因此，在保證結(jié)構(gòu)有足夠強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，應(yīng)減少其數(shù)理、尺寸。在特殊情況下，預(yù)留適當(dāng)收縮余量及使用沖壓結(jié)構(gòu)也是有效措施。

2、合理選擇焊接規(guī)范合理選擇焊接規(guī)范，對(duì)減少焊件變形影響很大。如隨著電流強(qiáng)度的增加，焊件變形相應(yīng)增大。為了盡量焊接過程中的熱影響，根據(jù)實(shí)際情況，合適的情況下采用小直徑焊條和小電流焊接，可以減少焊接殘余應(yīng)力。

3、消除焊接應(yīng)力的方法

（1） 熱處理法

整體熱處理：消除應(yīng)力的程度主要決定于材質(zhì)的成分、組織、加熱溫度和保溫時(shí)間。低碳鋼及部分低合金鋼焊接構(gòu)件在650度，保溫20～40h，可基本消除全部殘余應(yīng)力。局部熱處理：大型焊接結(jié)構(gòu)，受加熱爐的限制或要求不高時(shí)采用這種方法。可采用火焰、紅外、電阻、感應(yīng)等加熱方式，應(yīng)保持均勻加熱并具有一定的加熱寬度。低合金高強(qiáng)鋼，一般在焊縫兩側(cè)各100-200mm。

（2）機(jī)械錘擊法

在長(zhǎng)焊縫焊接過程中，趁著焊縫和堆焊層在赤熱狀態(tài)，用手錘敲打，可以抵消焊縫的收縮和減少內(nèi)應(yīng)力，減小或矯正變形。錘擊施焊部位，可以提高金屬的機(jī)械性能和耐蝕性。延展性能較好的金屬，采用這個(gè)方法效果較好。對(duì)于底層和表面層的焊縫一般不錘擊。錘擊時(shí)必須注意選擇合適的溫度范圍。比如鋼鐵材料溫度在300℃-500℃時(shí)有藍(lán)脆性，也不能進(jìn)行錘擊。鋁加熱到400℃-500℃時(shí)，強(qiáng)度幾乎喪失，此時(shí)，錘擊會(huì)損壞焊件。含磷高的鋼鐵材料，冷態(tài)錘擊時(shí)也易產(chǎn)生裂紋。

（3）振動(dòng)時(shí)效法

振動(dòng)時(shí)效作為目前比較常用的一種時(shí)效方式，已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于各個(gè)機(jī)械制造行業(yè)。振動(dòng)時(shí)效適用于碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼、不銹鋼、鑄鐵、有色金屬等材質(zhì)的焊接結(jié)構(gòu)；可插在任何工序之間多次處理；幾十米長(zhǎng)、數(shù)百噸重、上千條焊縫的工件都可適用。 具有低能耗、短周期、無污染等優(yōu)點(diǎn)。

4、控制焊接殘余變形的工藝措施

（1）選著合理的裝焊順序

采用不同的裝配、焊接順序，焊后會(huì)產(chǎn)生不同的變形效果。簡(jiǎn)單的焊件可以采用先總裝后焊接的控制結(jié)構(gòu)焊后變形的工藝措施。對(duì)于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的焊件，一般不能整體裝配焊接，而是要將構(gòu)件適當(dāng)?shù)姆殖扇舾刹考?，分別裝配、焊接，最后組焊成整體，這要處理，即使是收縮量大、不對(duì)稱的焊縫也可以自由收縮，不影響整體效果。

（2）采取合理的焊接順序

對(duì)稱焊接：如焊接結(jié)構(gòu)的焊縫是對(duì)稱的，首選對(duì)稱焊接不對(duì)稱焊縫：焊縫少的先烤焊，這樣可以減少焊縫產(chǎn)生的變形采用不同的焊接順序：對(duì)于長(zhǎng)焊縫，采用連續(xù)的直通焊，會(huì)造成較大的變形。因此要采用不同的焊接順序來控制變形。其中分段退焊法、分中分段退焊法、跳焊法和交替焊法，常用于長(zhǎng)度為1m以上的焊縫；長(zhǎng)度為0.5-1m的焊縫可用分中對(duì)稱焊法。

（3）反變形法根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)

驗(yàn)，先根據(jù)焊件的結(jié)構(gòu)，估計(jì)可能會(huì)產(chǎn)生的變形方向與大小，在焊接裝配時(shí)，加裝一個(gè)預(yù)置變形，預(yù)置變形的大小要與結(jié)構(gòu)焊接變形的一樣，方向相反，加裝這個(gè)是為了抵消焊后所產(chǎn)生的變形。

四、結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際生產(chǎn)中，焊接變形和焊接應(yīng)力的產(chǎn)生還有很多復(fù)雜的原因，但只要了解了焊接工藝，采用合理的焊接方法和控制措施，在實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)工作，綜合的考慮分析各方面因素，使焊接的質(zhì)量能夠得到保證。

參考文獻(xiàn)：

[1]董濤，李興春.焊接變形的控制方法[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2010（2）.

[2]尹妍.車載式電子設(shè)備機(jī)柜結(jié)構(gòu)輕型化設(shè)計(jì)[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2010（4）.

[3]白艷玲.指揮方艙設(shè)備裝載形式[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2011（4）.