焊接应力与焊接变形及其控制方式

2018-03-27王珂刘守熠

科学与技术 2018年7期

王珂刘守熠

摘要：在焊接接头冷却过程中，产生压缩塑性变形的焊缝区由于不能恢复到原来状态，要缩短，由于内外拘束条件的限制，焊缝金属产生了拉应力。在实际焊接加工生产过程中，焊接残余应力与焊接变形，会对焊接构件的质量及加工精度有着至关重要的影响。本文主要研究焊接应力与焊接变形产生原因;焊接残余应力及焊接变形的危害及控制方式等方面进行探讨分析。

关键词：焊接应力;焊接变形;控制方式

引言

在焊接过程中，焊缝金属在热膨胀过程中受到处于相对低温区的母材金属的内拘束和结构外拘束，不能够自由膨胀而产生压应力，压应力大于屈服强度时，这样就产生了压缩塑性变形，随着变形量的增加，焊接应力减小，焊接变形成了应力的释放形式，由于材料还未成为完全塑性材料，在材料内部还会产生压缩弹性变形，为使整个构件平衡，接头高温区产生压应力，母材低温区产生拉应力。本文对焊接应力与焊接变形及其控制方式进行了探讨分析。

一、焊接残余应力与焊接变形产生的原因

由于焊接温度发生了变化使焊件热胀冷缩，从而焊件之间相互约束，故在焊缝周围就会产生互相阻碍约束的力。焊接残余应力当焊接应力超出弹性极限时，焊接变形不能随应力的消除而消失，就会残留在焊件里。在焊接过程中，当焊条加热融化时会引起焊缝周围局部温度过高，在熔池的高温材料会受热膨胀，在膨胀过程就会产生变形。同时，在冷却过程中，由于周围材料的限制，不能使之前发生变形的那部分材料自由收缩，这在不同程度上又会产生拉伸变形。

二、焊接残余应力的危害。

焊接残余应力对构件的承载能力有着极为重要的影响;会使构件容易产生脆性断裂;降低构件的疲劳强度;降低构件的刚度极其稳定性能;并且应力区域存在腐蚀开裂缺陷;也会降低构件的精度和稳定性能。

1、对结构刚度的影响。当外部载荷与构件内部残余应力叠加达到屈服极限时，就会使构件产生塑性变形，从而降低承受载荷的有效截面积，构件刚度降低。

2、对稳定性的影响。当外部载荷产生应力与结构中的局部载荷叠加后达到屈服点后，就会减小有效截面积，从而降低了受压件的稳定性。

3、对静载强度的影响。通常情况下，只要应力集中现象不是很明显，对于塑性材料来说，静载强度不会受残余应力的影响。然而，残余应力过于集中会降低脆性材料的强度。

4、对疲劳强度的影响。残余应力对构件的疲劳强度也存在一定的影响，如果应力集中的的地方存在残余应力，就会是疲劳强度降低。

5、对构件制造精度和尺寸保证性能的影响。假如构件残余应力，当加工制造时，会打破原来的应力平衡，应力平衡被破坏，会一定程度上造成零部件轻微变形，将会影响加工精度。

三、降低焊接应力的措施

3.1设计措施

1、设计构件时尽量减少焊缝的尺寸与数量，这样可以减少变形量，同时降低焊接应力。

2、使焊缝分散布置，避免集中，防止盈利叠加现象。3、对设计结构进行合理优化。

3.2工艺措施

1、采用较小的焊接线能量。降低受热塑性变形的能力。

2、合理安排装配焊接顺序。合理的焊接顺序，可以使焊缝自由收缩，从而达到降低焊接应力的目的。

3、層间进行锤击。利用小锤轻敲焊缝及其周围区域，这样能使金属晶粒之间的应力得到释放，从而减小焊接应力。

4、焊接高强钢时，选择塑形较好的焊条。焊缝的金属填充物具有良好的塑性变形，可降低焊接应力。

5、采用热处理方法。将构件的温度升高至某一数值，内应力可以部分得到释放，残余应力也会有所降低。

6、预热拉伸（机械拉伸或加热拉伸）补偿焊缝收缩。采用预热或机械拉伸的方式处理阻止焊缝区域进行收缩的部位，使之与焊接区域同时膨胀或收缩，就可以减小焊接应力。

7、采用整体预热。把零部件分散预热会造成预热不均匀现象，构件整体上存在温差，温差越大，残余应力越大。

8、利用振动法来消除焊接残余应力。当构件承受变载荷达到一定数值时，经过反复震动后，构件中的残余应力也会有所降低，即利用震动方法可以消除部分残余应力。对于大型焊件，一般采用振动器来消除焊接残余应力。振动法的优越性在于设备简单，时间比较短，成本比较低，不像高温加热一样会使构件得到氧化，这种方法在实际生产中得到广泛的应用。

四、焊接变形的危害与预防措施

4.1焊接变形的危害

降低装配质量;影响外观质量;降低承载力;增加矫正工序;提高制造成本。

4.2优化焊接结构设计

1、合理设计焊缝位置，尽量分散设计，并关于构件截面的中性轴对称。2、优化焊缝尺寸及其形状。尽量采用短焊缝，避免过长焊缝。3、尽量减少焊缝的长度及其数量。

4.3采取合理的装配工艺

1、预留收缩余量法：为了防止焊件焊后发生尺寸收缩，可以事先将收缩的尺寸预留出来，并通过估算，经验，实测三者结合的方式计算预留量。

2、反变形法：所谓的反变形法就是在焊接装配前，先将焊件向焊接相反的方向进行变形。采用这种方法只要预计准确，控制得当，会收到良好的效果。

3、刚性固定法：刚性固定法在焊接过程中应用比较广泛，适用于较小的焊件，其中在预防角变形和波浪变形过程中应用广泛。并且这种方法在大型储罐底焊接时应用较多，常在焊缝俩侧加型钢。

4、合理分配装配顺序：对于大型构件可以通过划分多个区域的方式进行焊接，然后再拼焊成一个整体。采用这种方式的好处在于小构件可以自由收缩，不至于引起整体的结构变形。例如，可以采用先焊短焊缝后焊长焊缝的形式进行焊接。

4.4采取合理的焊接工艺措施

合理的焊接方法。尽量使气体保护焊取代焊条电弧焊，因为气体保护焊的热源比较集中，尤其不宜使用气焊。合理的选择焊接线能量。要想有效的减少焊接变形，必须减少焊接线能量的输入。合理安排焊接顺序和方向。除打底层不宜进行锤击外，尽量进行层间锤击。