焊接應(yīng)力與焊接變形的抑制

張晟

（新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局704隊，新疆哈密 839000）

1 焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生原因

產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的基本原因是由于焊接時焊件的局部加熱到高溫狀態(tài)，形成了焊件上溫度的不均勻分布所造成的。因不同的焊接熱引起金相組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，隨之而出現(xiàn)體積的變化，當(dāng)體積變化受到阻礙時便產(chǎn)生了應(yīng)力，出現(xiàn)整體變形。

2 降低焊接應(yīng)力的措施

主要包含設(shè)計措施、工藝措施、焊前熱處理、焊后熱處理等。

（1）設(shè)計措施就是從設(shè)計的角度出發(fā)采取減少焊接構(gòu)件焊接的數(shù)量、長度、改善焊縫的分布布局，讓焊縫分布分散，優(yōu)化焊口接頭的結(jié)構(gòu)形式等措施，以避免或減少焊接應(yīng)力的疊加，譬如在滿足工藝要求的情況下，將管道管口盡可能多設(shè)計為翻邊式，少用或不用承插式。

（2）工藝措施就是從焊接加工順序、使用的焊接設(shè)備的方向來降低焊接的應(yīng)力，通?？梢允褂煤附幽芰考?，較低的焊接能量，較低的焊接線能量就可滿足焊接要求的焊機(jī)，因為較小的焊接線能量輸入能減少焊縫熱塑變的范圍以及溫度梯度的幅度，如使用氣體保護(hù)焊，減少手工電弧焊的使用。

在焊接過程中合理的安排安裝焊接的順序、方向，使焊縫有能夠自由收縮的余地，在焊接過程中不得施加約束的外加力，讓焊接應(yīng)力得以有效的釋放，如在大面積多張鋼板焊接時應(yīng)先對短焊縫進(jìn)行焊接，當(dāng)全部短焊縫焊接完畢后再進(jìn)行長焊縫的焊接。也可采取在進(jìn)行層間進(jìn)行錘擊的方法，當(dāng)每層焊道焊接完畢后使用小錘敲擊焊縫以及焊縫臨近區(qū)域，這樣會讓金屬晶粒間的應(yīng)力得以釋放，能非常有效的降低母材與焊材之間的殘余應(yīng)力，尤其是在焊接鑄鐵焊件時效果尤其顯著，如未能及時的對鑄鐵焊件焊縫進(jìn)行層間敲擊釋放應(yīng)力，在焊縫周圍的母材上會產(chǎn)生明顯的焊接裂紋。

（3）焊接前的熱處理。如果焊接構(gòu)件在焊接前后溫差較大則會產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力，在焊接前對焊接構(gòu)件進(jìn)行焊前預(yù)熱就能減少焊接構(gòu)件焊接前后的溫差以及能減慢焊接構(gòu)件的冷卻速率，這樣就能很好并且有效的減小焊接殘余應(yīng)力。對于焊前預(yù)熱的另外一種形式為預(yù)熱預(yù)拉伸補(bǔ)償法，原理為對于一些焊接構(gòu)件有可能阻礙焊接區(qū)域內(nèi)可以自由伸縮的部位，使用預(yù)加熱或機(jī)械的方式方法，使得焊接構(gòu)件焊接區(qū)域同時拉伸或者同時收縮，減少焊接構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生的焊接內(nèi)應(yīng)力。

（4）焊材的選擇方法。對于焊接高強(qiáng)度低合金鋼（如Q460 鋼材）構(gòu)件，必須使用焊材塑性較好的焊條進(jìn)行構(gòu)件的焊接，原因為當(dāng)焊接構(gòu)件的焊縫在采用塑性良好的焊材進(jìn)行填充焊接后，有著良好的塑性形變，讓焊接構(gòu)件時產(chǎn)生的焊接內(nèi)應(yīng)力通過焊縫的塑性形變得以釋放，減少焊接構(gòu)件的焊接應(yīng)力。焊接構(gòu)件在高溫焊接時會產(chǎn)生“氫脆”的現(xiàn)象，消氫的意義在于控制焊接構(gòu)件熱區(qū)域內(nèi)焊材內(nèi)部的氫元素的含量，讓焊縫內(nèi)部的氫元素溢出，預(yù)防氫元素導(dǎo)致的集中應(yīng)力產(chǎn)生，杜絕氫元素導(dǎo)致的冷裂紋的產(chǎn)生，方法為可使用低氫型焊材和在焊接結(jié)束后對焊接構(gòu)件采取消氫處理。在進(jìn)行消氫處理時，加熱溫度通常情況下控制在300 至350 攝氏度之間，保溫時間一般控制在2至4個小時左右，然后再進(jìn)行冷卻。

（5）焊后熱處理。即對焊接構(gòu)件采取高溫回火的熱處理方法，消除焊機(jī)構(gòu)件內(nèi)部的殘余內(nèi)應(yīng)力，具體原理為利用鋼材在高溫條件下其屈服強(qiáng)度極限會降低，讓焊件內(nèi)部焊接內(nèi)應(yīng)力高區(qū)域發(fā)生塑性流動，彈性變形逐漸減少，塑性變形逐漸增加，使焊接內(nèi)應(yīng)力發(fā)生降低。方法為將焊接構(gòu)件放在熱處理爐內(nèi)加熱到一定溫度并且保溫一段時間。焊后熱處理的溫度與保溫時間對焊接的金屬抗拉強(qiáng)度、蠕變極限有著較高的影響。但鋼種對焊材焊縫金屬沖擊韌性有著較高的影響。

（6）可以用振動的方法來消除焊接殘余應(yīng)力，原理是如果焊接構(gòu)件承受變載荷應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值，經(jīng)過多次振動后，就會讓焊接結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力降低，可以消除部分焊接殘余應(yīng)力。此方法適用于一般的大型焊件。振動法的優(yōu)點是綠色環(huán)保、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、使用成本低、操作時間短。

3 焊接變形的危害性及預(yù)防措施

3.1 焊接變形的類型

焊接變形根據(jù)產(chǎn)生的環(huán)境條件，基本可分為在焊接高熱過程中的瞬態(tài)熱變形與在室溫常溫狀態(tài)下的殘余變形。按照在焊接構(gòu)件的幾何空間分布可分為焊件構(gòu)件的面內(nèi)變形和面外變形。面內(nèi)變形包含焊縫縱向收縮變形、焊縫橫向收縮變形、焊縫回轉(zhuǎn)變形；面外變形包含失穩(wěn)波浪變形、角變形、扭曲變形、彎曲變形。

3.2 焊接變形的危害

焊接變形可以導(dǎo)致焊接構(gòu)件外觀質(zhì)量降低，影響焊接構(gòu)件的裝配質(zhì)量，降低焊接構(gòu)件的承載能力，增加焊接構(gòu)件消除形變、矯正構(gòu)件的工序、增大了制造的時間、人工成本。

3.3 預(yù)防焊接變形的措施

預(yù)防焊接變形主要通過合理的設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)、合理的裝配工藝、合理的焊接工藝等措施，避免焊接變形。

通過對焊接構(gòu)件合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對焊接構(gòu)件焊縫位置的合理安排，焊接坡口形式的合理選擇（如使用對稱坡口），焊接焊縫要盡可能的與焊接構(gòu)件截面中性軸對稱，焊接構(gòu)件焊縫不應(yīng)過于集中，焊接構(gòu)件焊縫的數(shù)量、長度不應(yīng)過多過長，在滿足焊接構(gòu)件有足夠機(jī)械強(qiáng)度的前提下，要使用具有較少的焊縫數(shù)量、長度、橫截面積。

通過對裝配工藝措施的合理安排，將預(yù)計焊接構(gòu)件焊接后必定會發(fā)生縮短的尺寸的，在焊前預(yù)留出來收縮余量，防止焊接構(gòu)件在焊接后發(fā)生幾何尺寸的縮短。另一種方法為反變形法，基本原理為抵消焊接構(gòu)件的變形，方法為先將焊接構(gòu)件加熱使其發(fā)生反向變形，進(jìn)行人為的預(yù)變形，再進(jìn)行焊接構(gòu)件的焊接。對于幾何尺寸較小的焊接構(gòu)件的角變形、波浪失穩(wěn)變形可采取剛性固定焊接構(gòu)件的方法。對于焊接薄板型的焊接構(gòu)件，可采用在焊縫兩側(cè)使用型鋼通過螺栓固定緊固的方法進(jìn)行剛性固定。

對于大型焊接構(gòu)件的焊接，應(yīng)合理的選擇焊接裝配順序，可以合理的將大型焊接構(gòu)件分解成若干個較小的部分分別進(jìn)行裝配焊接，因為較小的焊接構(gòu)件可以自由的收縮，焊接的變形量較小，不會導(dǎo)致焊接整體構(gòu)件的形變，然后再將這些小部件組成整體進(jìn)行焊接。

合理的焊接工藝措施也是減小焊接形變的重要措施，在滿足焊接強(qiáng)度的條件下，盡可能的減小焊接線能量的輸入的焊接方法，如多采用氣體保護(hù)焊等熱集中的焊接方法，盡量少用手工焊條電弧焊，尤其是要少用氣焊。