焊接应力变形原理若干问题的探讨

摘要：金属结构在常温情况下是稳定的，但在焊接过程中，受热部位会产生焊接应力和变形，如不对此情况展开控制措施，就不能够保证产品质量，甚至使产品报废。传统的焊接工艺中会产生多种很难避免的质量问题，如何发展采取措施减小在焊接过程中不产生焊接应力和焊接变形，在现实中具有非常重要的意义。

关键词：焊接应力;变形原理;问题探讨

1.焊接应力与焊接变形产生的原因

与焊接接头区产生的缩短不协调应变相对应在构件中会形成自身相平衡的内应力，即为焊接应力。焊接接头区金属在冷却到较低温度时，材料恢复到弹性状态;此时若有金属组织变化，则伴随体积变化出现相变应力。

焊接热输入引起材料不均匀加热，使焊缝区熔化，在热传导作用下致使焊接接头形成了高温区，材料的发生热膨胀则受到周围母材形成的低温区域的限制，产生不均匀的压缩塑性变形;在冷却过程中已产生的压缩塑性变形的这部分材料又受到周围材料的限制而不能自由收缩，不同程度上又被拉伸而卸载;与此同时熔池凝固金属冷却收缩也产生相应的应力与变形，也就是高温焊缝区受到拉应力，在焊接接头区产生了缩短的不协调应变。

2.焊接应力的危害

在温度、时间等的作用下焊接应力会逐渐变低，这种降低容易造成焊接件的整体形状、尺寸发生一些变化。因受阻而发生焊接区收缩的拉应变，当其超出该材料的承受范围时，则会在焊接区造成裂纹焊接区的应力状态往往复杂多变，且峰值往往很高，在高应力区常常发生过塑性拉伸，降低材料的塑性及工件的抗疲劳强度。这对承受动载荷的结构危害很大。应力腐蚀速度受到拉应力的影响会加快。

3.消除焊接应力的方法

3.1控制焊接应力的产生

通常采用的工艺措施有：预热法。因为通常被焊部件各部位的温差越大，焊缝的冷却速度越快。那么焊接接头的残余应力就越大。预热既能减小工件各部位的温差，又能减缓冷却速度。它是降低焊接残余应力的有力措施之一;采用合理的焊接次序。是尽量使焊缝能比较自由的收缩，尤其是对那些收缩比较大，残余应力比较大的焊缝。

3.2消除焊接应力的措施

焊接过程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接规范参数，选择合理的焊接顺序以及采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施。采用随焊两侧加热，横向应变、纵向应变和最大剪切应变的分布更加均匀，变化更加平缓，起到减小焊接残余应力和变形的作用。采用随焊碾压、随焊两侧加热、随焊跟踪激冷等措施可以降低残余应力和减小焊接变形。选择线能量较低的焊接方法以及合理地控制焊接规范参数可以有效地防止焊接变形。随焊激冷法能够显著地降低残余应力和减少焊接变形[1]。随焊碾压法由于设备复杂、使用不便等原因，在生产应用中受到一定的限制，但该方法在提高焊接变形等方面具有理想的效果。焊接顺序对焊接残余应力和变形的产生影响较大，在采用不同的焊接顺序时，可以改变残余应力的分布规律 ，但对残余应力整体幅值的降低作用不大，同时该方法对于控制焊接变形有较大的作用，尤其在多道焊中，作用更加明显。

4.焊接变形的控制措施

4.1选择合理的焊缝以消除焊接变形的影响

整个焊接过程中是至关重要的一步就是焊缝的设定，对于相同材质的母材来讲，焊缝留的空隙过大，会消耗过多的焊材，同时对于焊接的质量也会有所影响，焊材的密度一般要低于母材，这样对于构件的稳定性也会造成影响。基于不同母材的结构参数，也就是几何形状以及板材厚度等因素，综合考虑其焊缝所带来的影响。如果焊缝留得过小，那么对于冷却时间就会过快，不利于焊接，对于焊接的力学性能和粘合性都会产生质量性的影响[2]。

4.2预先留出保证焊缝能够自由收缩的余量

4.2.1采用“冷焊”的方法

这种方法的原则是使整个结构上的温度分布尽可能均匀，即要求焊接部位这个“局部”的温度应尽量控制得低些，同时这个“局部”在结构这个“整体”中所占的面积范围应尽量小些。

4.2.2开缓和槽减小应力法

厚度大的焊件刚性大，焊接时容易产生裂纹，在不影响结构强度性能的前提下，可以采用在焊缝附近开缓和槽的方法来减小焊接应力，避免裂纹的产生。

4.2.3采用加热减应区法

这种方法又称为加热去除约束法。就是加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位既减应区，使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，起到减小焊接应力的作用。

5.对于焊接变形的矫正

局部热矫正多采用火焰对焊接构件局部加热，在高温处，材料的热膨胀受到构件本身刚性制约，产生局部压缩塑性变形，冷却后收缩，抵消了焊后部位的伸长变形，达到矫正目的，火焰加热法采用一般的气焊焊炬，不需要专门的设备，方法简便灵活，因此在生产上广为应用。 整体热矫正是指将整体构件加热至锻造温度以上再进行矫正的方法，可用以消除较大的形状偏差[3]。但是焊后整体加热容易引起冶金方面的副作用，限制了该方法的进一步推广及应用。 此外，还有利用机械力或冲击能等进行焊接变形矫正，包括静力加压矫直法、焊缝滚压法、锤击法等。

6.结束语

焊接热输入的不均匀产生的压缩塑性变形是产生焊接应力与变形的根本原因;工艺因素和结构因素构成焊接应力和变形产生的外部拘束条件。本文通过对焊接的原理在对其基本结构和物理性质方面，对焊接过程中产生的焊接应力的产生和焊接变形提出了一些改良方式，正确编制焊接工艺，采用合理有效的焊接方法和预防控制措施，减小焊接变形和焊接应力。同时本文也针对已经焊接变形提出一些矫正措施，这对于后期产品的使用是十分必要的。

参考文献：

[1]刘洪林.焊接应力与焊接变形的产生原因与控制措施[J]. 科技信息.2012.01：222+177.

[2]陈锋.焊接工艺对不锈钢焊接变形的研究[D].上海交通大学.2009.

[3]赵小娜.浅谈焊接应力与焊接变形产生的原因及控制措施[J].科技创业家.2013.16：68.

作者简介：孔凡玉（1973.7.15-），中海油能源发展装备技术有限公司，大本，工程师。