焊接变形与残余应力成因及控制措施探析

曹士其

摘 要：钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程，但由于存在不均匀的温度场，导致焊件不均匀地膨脹和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。本文依据焊接工艺教学的需要，探讨焊件残余应力与焊接变形成因及控制措施。

关键词：焊接变形？残余应力？成因？控制措施

在焊接工艺教学中，由于焊缝内部结构上的缺陷和内部应力的释放，焊件将产生焊缝裂缝。同时，焊件受到不均匀的电弧加热，由于受热区域的金属膨胀程度不同，产生了内应力和变形，当焊接完毕待焊件完全冷却时，剩余的内应力和变形残存在构件内部，形成残余应力和变形。为此，笔者探讨焊件残余应力与焊接变形成因及控制措施。

一、焊接内应力种类的教学分析

焊接后产生的内应力为焊接应力，根据其空间位置和相互关系可分以下几种。

1.单向应力

在焊接薄板的对接焊缝以及在焊件表面上堆焊时，焊件存在的应力是单方向的。

2.双向应力

在焊接较厚板的对接焊缝时，焊件存在的应力虽不同向，但均在一个平面内，即应力是双向的。

3.三向应力

当焊接厚大焊件的对接焊缝时，焊件存在的应力是沿空间三个方向作用的。

当焊缝中存在双向应力和三向应力时，焊缝金属的强度和冲击值都要显著下降，容易产生裂缝。因此，当焊接件厚度≥25mm时，焊后一般应对焊件进行热处理，以消除三向应力。

二、焊件残余应力分布及对焊接结构的影响

焊接残余应力和变形产生的主要原因是焊接时的不均匀加热，受到焊接残余应力的焊缝金属，其收缩变形有以下几种情况。

1.纵向焊接残余应力分布

长板对接接头焊缝处受热温度较高，因此焊缝金属有较大伸长，离焊缝金属较远的部位温度较低，伸长则较小。

2.横向焊接残余应力分布

对接焊缝的横向收缩所引起的横向应力分布比较复杂。在焊接结构中，焊接残余应力与变形之间的关系是一对矛盾的两个方面。如果在焊接过程中焊件能够自由地收缩，则焊件的变形较大而焊接应力较小，而如果焊件受外界约束或自身刚性较大不能自由收缩，则焊后变形较小，但内部却存在较大的焊接残余应力。

3.焊接残余应力对焊接结构的影响

焊接后的残余应力和变形超过允许范围，则会使结构承受载荷的能力降低，或使其外形受到影响，主要表现为以下四方面。一是对焊接结构强度的影响。焊接残余应力的存在将明显降低脆性材料结构的静载强度。二是对构件加工尺寸精度的影响。三是对受压杆件稳定性的影响。四是对疲劳强度的影响。

三、消除或减小焊接残余应力和变形的措施

结构复杂的板材结构，如果在焊接时不采取一定的措施，便容易产生变形，变形影响结构外表美观，降低结构强度。

1.减小焊接变形的措施

（1）设计措施减小焊接变形。一是尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸，二是避免焊缝过分集中，三是采用刚度较小的接头形式。

（2）采用合理的装配焊接顺序和方向减小焊接变形。一是尽可能考虑焊缝的自由收缩，对于大型结构的焊接应从中间向四周对称进行。二是收缩量大的焊缝先焊，因为先焊的焊缝收缩时受阻较小，残余应力就比较小。三是采取对称焊接，对于刚性大而断面对称的构件，在施焊时可采用对称的焊接程序，这对于保证构件得到最小的弯曲变形是十分有利的。四是采用焊缝的不同焊接法，在焊接长焊缝（≥1m）时，可采用分段退焊法、跳焊法、交替焊法；对中等长度（0.5～1m）的焊缝可采用分段对称焊法。

2.消除或减小焊接残余应力的措施

（1）减小焊缝尺寸。在满足设计要求的条件下，不应加大焊缝尺寸和层高，要转变焊缝越大越安全的观念。

（2）减小焊接拘束度。拘束度越大，焊接应力越大，所以尽可能不用刚性固定的方法控制变形，以免增大焊接拘束度。

（3）采取合理的焊接顺序。在焊缝较多的组装条件下，应根据构件外形和焊缝的布置，采取先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝的原则。

（4）降低焊件刚度，创造自由收缩的条件。

（5）锤击法减小焊接残余应力。在每层焊道焊完后立即用圆头小锤敲渣或用电动锤击工具均匀敲击焊缝金属，使其产生塑性延伸变形，并抵消焊缝冷却后承受的局部拉应力。

总之，在教学过程中我们一定要了解焊接工艺，在实践中不断总结、积累焊接经验，综合分析考虑各种因素，以保证工程中的焊接质量。

（作者单位：浙江省机电技师学院）