浅谈焊接应力处理

2020-11-11

今天 2020年24期

（攀枝花市华森职业学校四川攀枝花 617200）

在焊接结构中，焊接应力作为有害因素之一，其根除的难度性较高，所以要对其原因和基本规律进行深入分析，从而对焊接应力的分布和大小进行有效控制，防止破坏现象的出现，以免造成不必要的经济损失。在焊接裂纹形式中，冷裂纹、热裂纹、再热裂纹等比较常见，焊接应力发挥着重要作用，其危害性也是不容忽视的。在焊接应力的产生方面，其相关性因素主要包括焊接材料的物理冶金性能、焊接过程不平衡的加热等。其大小、对于焊接接头的拘束度、母材厚度等起到一定的决定性作用。

1.焊接应力的产生及影响因素

1.1 液态焊缝金属结晶凝固具有收缩率的影响。相比于液态金属，固态金属的致密性特点显著，所以在金属材料由液态结晶为固态的情况下，其体积缩小程度是不同的，该金属材料的收缩率，出自于缩小的体积与原液态金属体积的比值。对金属键连接的形成进行分析，主要体现在焊缝金属与母材熔合，液态焊缝金属凝固后体积的收缩，对母材的焊接拉应力程度比较明显，也就是收缩应力。对其大小进行分析，与接头填充金属的量之间有着密切的联系，填充越多，会明显增加凝固后体积的收缩量，进而使应力也越来越突出。在接头拘束度小的状态下［1］，该应力的焊接变形比较明显，反之，在接头的拘束度大的状态下，通常来说，应力很难通过变形获得释放，所以在接头中会形成积聚，在具备条件后，如定量的H得到聚集，而且淬硬组织也由此产生，这种能量基于冷裂纹形式，可以大大提高释放效率，从而导致结构失效现象的出现。

在液态金属开始结晶且固体晶粒间连为整体时，焊缝中收缩应力开始产生，在熔池结晶的影响下，其值变化由小慢慢变大。如图1所示，图左上，柱状晶粒的生成主要借助于熔合线，且在晶粒与相邻晶粒结合的情况下，会为收缩应力的产生创造有力条件即产生，此时液态金属沿熔合线结晶，其形状类似于碗装，所以可以得出“应力值小”这一结论；图右上，在结晶不断发展过程中，一定程度上增加了固态金属的厚度，其收缩应力的增大趋势越来越明显；图下中，在收缩应力最大的情况下，液态金属结晶已经结束，此时极容易造成热裂纹的出现。

图1 焊缝结晶过程对应力的影响示意图

1.2 焊接热影响区对应力的影响。以图2为例，金属材料局部加热区利用阴影区来进行表示，该部位受热膨胀状态显著。在加热到的金属红热状态时，其强度并不大，而且与相邻低温度材料的强度具有明显的差距，此时其塑性比较明显。所以对该加热部位进行分析，不会出现膨胀现象，而且正常来说，虚线和实线之间的这部分体积会出现增大膨胀，但是在临近材质挤压作用下，压缩塑性变形由此产生［2］。基于此，面对温度降到常温状态，相比于加热之前的体积，该加热部位冷却后的体积要较小，所以相邻材料的拉应力由此出现。在生产过程中，火焰矫形比较常见，这主要得益于金属材料特性来实现。如果材料被加热的温度并不高，因为强度和硬度较高，所以弹性变形得到了充分体现，在温度恢复与常温相符时，与原体积大小相差并不大，残余应力自然得到有效控制。

相比于焊缝金属，热影响区的应力分布的复杂程度较高，其影响因素主要包括前述热胀冷缩、焊缝金属收缩应力、热影响区组织相变等。如过热区冷却后的组织（如马氏体、珠光体），其致密度并不相同，从而使体积、应力状况也有所不同。

图2 金属材料热胀受挤压示意图

2.焊接应力的处理和控制措施

2.1 直接控制材料的收缩率。目前，新型焊材得到了广泛应用，其低温相变特点显著，对于高强钢产生了很大的影响，通过对此种焊材焊接的应用，焊缝的残余应力低和焊接变形并不大。在其利用方面，主要是指在该焊材熔敷后，可以使一种针状马氏体组织由此产生，而马氏体组织的比容非常大［3］，由此可以看出，收缩率最小这一结论成立，从而对于实现小的残余应力和焊接变形具有一定的帮助，即使在焊前不预热施焊，裂纹现象也可以得到有效避免。

2.2 时效处理。对于高温时效来说，也就是焊后热处理，在温度较高的情况下，基于焊接残余应力的作用，材料出现蠕变的可能性较高，从而释放其应力，这在消应处理措施中发挥着明显的优势。此外，敲击或震动时效等也比较适用。

2.3 优化焊接工艺。其中，窄间隙或优化坡口角度等比较适用，以此来对焊缝填充量进行控制；高能焊接方法也具有一定的应用价值，在对焊缝填充量的控制和减少热影响区宽度方面具有明显的优势；在设计焊接顺序时，应确保高度的合理性，在拼接焊中，要遵循先长后短这一原则，为自由变形创造有力条件，这非常适用于收缩量大的焊缝；为了满足减小热输入需求，多层多道焊非常适用；对于焊接工艺参数，应将其控制在合理范围内，不断提高接头的组织形态的控制效果。

如果装配间隙过大，应加强堆焊方式的应用，其中，应在单侧坡口面上实施，在间隙满足合适要求的情况下，为将两件相连施焊奠定基础。先堆焊的部分，在两件之间不会产生收缩应力，要想收缩应力顺利产生和出现，仅仅借助于后施焊的连接焊缝才能完成。也就是说，对接头的填充金属进行控制，从而可以达到减小应力的需求。