焊接应力与焊接变形及其控制方式

焊接应力与焊接变形及其控制方式

1康光磊2迟军

[摘要]如何采取措施减小金属构件在焊接工序中发生的应力与应变，从而提高焊接工序的精度。本文对焊接结构的主要特点进行了描述并从焊接变形产生的机理、原因、焊接变形的主要形式、控制焊接变形所应采取的措施等方面进行了有益的探索，提出了几项措施减少焊接变形，并对焊接后如何减少接头焊接应力、焊接变形矫正等方面提出解决方法。

[关键词]焊接变形焊接应力产生原因

在焊接过程中焊件将发生变形，随着变形的产生，焊件内的应力状态也发生变化，而焊完并冷却后所留下的变形不是暂时的而是残余的。通常焊接的残余变形和应力是同时存在的，但在一般焊接结构中残余变形的危害性比残余应力大得多，它使焊件或部件尺寸改变而无法组装，使整个构件丧失稳定而不能承受荷载，使产品质量大大降低，而矫正却要浪费大量的人力和物力，有时还导致产品的报废。同时焊接裂纹的产生往往和焊接残余应力和焊接变形有着密切的关系。

1焊接应力与焊接变形的产生原因

焊接应力，是焊接构件由于焊接而产生的应力。焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的形状和尺寸变化。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。焊接应力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观，因此是设计和制造中必须考虑的问题。

1.1焊件的不均匀受热

（1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形。冷却后，构件就会有残余应力。

（2）焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反。

（3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。

（4）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布是不均匀的。焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力

1.2焊缝金属的收缩

焊缝金属冷却时，当它由液态转为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的。因此，焊缝金属并不能自由收缩，这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中引起残余应力。另外，一条焊缝是逐步形成的，焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩，由此也会产生焊接应力与变形。

1.3金属组织的变化

金属在加热及冷却过程中发生相变，可得到不同的组织，这些组织的比容不同，由此也会造成焊缝应力与变形。

1.4焊缝的刚性和拘束

焊缝的刚性和拘束，对焊件应力和变形也有较大的影响。刚性是指焊件抵抗变形的能力。而拘束是焊件周围物体对焊件变形的约束。刚性是焊件本身的性能，它与焊件材质，焊件截面形状和尺寸有关，而拘束是一种外部条件，焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大，而焊接应力越小。

2控制焊接应力与变形的措施

焊接以后留下一定的残余应力是不可避免的，但是可以通过恰当的工艺措施给予一定程度的控制。使之危害尽可能减小。

控制内应力的方法有多种，但其基本原则只有一个，就是缓和对焊缝收缩的制约，通常采用的工艺措施有：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。二、预热法。由于被焊工件各部位的温差越大，焊缝的冷却速度越快。则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。

3结构设计方面应注意的问题

3.1在结构许可的情况下尽量减少焊缝数量

焊缝数量少，需要输入的焊接热能就小，焊接变形就会减小。用钢板焊接的箱体类，若厚度在案10mm以下，可先将钢板弯曲成一定形状然后在进行焊接，这样不但可以减少焊缝数量，使焊缝对称和外形美观，而且可以提高构件刚度的同时，减少构件变形。例如实际生产中的各种油箱、原来用6块钢板在棱边处焊接，刚性差，焊接变形大，需要焊6道焊缝。后改为前后面折边，两端封板，这样只需要下4块板，焊4道焊缝即可,刚性得以提高的同时焊接变形减小了。

3.2合理设计焊缝形式及尺寸

对接焊缝的受力状况好于角焊缝，因此，在可能的情况下优先采用对接焊缝。我们知道，焊缝尺寸越大，须填充的焊接材料就越多，焊接时输入焊件中的热量就越大，焊缝收缩时产生的内应力就越大，焊件的焊接变形就越大。因此，在满足强调要求的前提下应尽量减小焊缝尺寸。

3.3焊缝位置应尽量对称布置

在焊接过程中，焊件因局部受热和快速冷却内部产生压应力而产生应变。当焊缝位置对称时，焊缝冷却时产生的应力和应变就可以相互抵消一部分，整体上就可以得到较小的变形。缝位置应尽量布置在构件刚度较大的地方，在其它条件相同的情况下，焊缝所处位置刚度越大，其焊接变形相对要小，对控制焊件的整体变形有利。

3.4焊缝位置避免集中和重叠

当焊缝相对集中和重叠时，热影响区相互影响，不仅使热影响区的母材金属因反复加热而变得晶粒粗大，机械性能下降，而且使得变形加大，影响焊件尺寸精度。因此，应将焊缝尽量错开。各条焊缝之间的距离应保持在200mm以上。

4消除焊接应力的方法

消除焊接应力的方法有：自然时效、振动时效、机械拉伸、温差拉伸和热处理去应力‘它们各有自身的特点。

4.1自然时效简单易行，无需任何设备，只需一块适当的空地就行，几乎不发生任何费用。但自然时效周期较长，且不能完全消除残余应力，因此对生产周期短，交货要求急的产品不太适应；

4.2热处理应力方法包括：整体热处理和局部热处理。将整个构件放在炉中加热到一定温度，然后保温一段时间再冷却。通过整体高温回火可以将构件中80%--90%的残余应力消除掉，这是生产中应用最广泛、效果最好的一种消除残余应力的方法。

4.3机械拉伸法，锤击焊缝法在焊缝的冷却过程中，用圆头小锤均匀迅速地锤击焊缝，使金属产生塑性延伸变形，抵消一部分焊接收缩变形，从而减小焊接应力和变形。

4.4振动法，构件承受变载荷应力达到一定数值，经过多次循环加载后，结构中的残余应力逐渐降低，即利用振动的方法可以消除部分焊接残余应力。振动法的优点是设备简单、成本低。时间比较短，没有高温回火时的氧化问题，已在生产上得到一定应用。

5矫正焊接变形的方法，

当前矫正焊接变形的方法有两种方法，通常采用机械矫正和热处理矫正：

5.1机械矫正法：用机械矫正法矫正焊接变形是目前生产中广为采用的一种矫正方法，即根据理论计算和实践经验，预先估计结构焊接变形的方向和大小，然后在焊接装配时给予一个方向相反、大小相等的预置变形，以抵消焊后产生的变形。机械矫正法不需要复杂的设备，操作起来亦很简单，效果往往不错，常用的有锤击法、辗压法等。缺点是对消除焊接残余应力的效果不明显，在使用过程中随着残余应力的释放会产生新的变形。

5.2热处理矫正：热矫正是在焊件局部变形处对处于拉伸部分进行局部加热，使其冷却时收缩产生反变形从而达到矫正变形的目的。目前常用的加热方法有火焰加热和电加热两种。热矫正的优点是矫正变形彻底，对任何复杂形状的工件都能取得很好的效果。缺点是对矫正温度要求严格，实际操作中矫正温度不易控制。生产中常把上述几种方法综合使用，如在机械矫正前先进行振动时效处理，对局部变形大的地方辅助于热矫正处理。

6总结语：

焊接构件采用哪种方法控制应力及变形，要进行具体分析。根据不同状况，选择一种或多种控制措施。从而达到既保证安全又经济实用的目的。从设计及工艺两方面综合考虑各种影响焊接变形的因素并采取相应的措施，就能有效地控制焊接变形，取得令人满意的效果。

参考文献：

[1]田拥军.如何控制焊接应力和变形[J]山西建筑2004（30）

[2]朱青松.焊接应力和变形对钢结构承载力的影响分析[J]城市建设2011（35）

[3]王华民.大型钢结构建筑安装技术研究[J]天津建设科技2011（21）

[4]宋统战.变截面箱形柱制作中焊接变形控制技术[J]现代焊接2014（8）