焊接热输入对堆焊残余应力和变形的影响分析

焊接热输入对堆焊残余应力和变形的影响分析

田洪祥孙广鹏

中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛266000

摘要：堆焊过程中不均匀的热输入容易导致焊件产生残余应力和一定程度的变形，影响焊件的结构强度和使用寿命。基于此，本文主要对焊接热输入对堆焊残余应力以及变形相关影响进行了简要的分析，希望可以为相关工作人员提供一定借鉴。

关键词：焊接热输入；堆焊；残余应力；变形；影响分析

引言

随着我国各个行业的不断发展，对焊接性与抗高温性能提出了更高的要求。本文中隔一天研究了焊接热输入对堆焊残余应力和变形影响，并优化了堆焊焊接工艺。

1残余应力以及变形相关概述

1.1残余应力

残余应力对焊接结构的寿命有不利影响，一般情况下，高运行应力与高残余拉应力叠加，将促使焊接结构断裂的发生。残余应力还提高蠕变、疲劳和环境损伤发展的速率。在焊接加热过程中，焊缝熔融金属周围由于热和膨胀会产生压缩屈服。焊接冷却过程中则相反，由于焊缝冷却和收缩沿焊缝纵向会产生残余拉应力，因此，焊接结构的残余应力的产生是由于局部不均匀的加热和冷却导致的。当残余拉应力超过材料的屈服强度极限，将导致结构发生变形，焊接过程中为避免发生更大的变形，对焊接构件进行约束将产生更大的残余应力。然而，残余压应力一般认为是有益的，但是它会引起焊接结构抗屈曲能力的下降。所以，应根据焊接构件的服役条件控制焊接残余应力。

1.2变形

钢材的焊接通常采用熔化焊方法。在接头处局部加热，使被焊接材料与添加的焊接材料熔化成液体金属，形成熔池，随后冷却凝固成固态金属，使原来分开的钢材连接成整体。由于焊接加热，融合线以外的母材产生膨胀，接着冷却，熔池金属和熔合线附近母材产生收缩，因加热、冷却这种热变化在局部范围内急速进行，膨胀和收缩变形均受到拘束而产生塑性变形。这样，在焊接完成并冷却至常温后该塑性变形残留下来。

2焊接热输入对堆焊残余应力和变形的影响

2.1焊件温度场分析

在焊接过程中，整个温度分布不均匀，焊件高度方向的温度梯度小，焊件长度方向的平均温度高于宽度方向的平均温度；最高温度。焊件的再点（1912.45C）位于钢板表面的热输入位置附近，最高温度区域位于焊件的表面上。距离越小，温度越低，离热输入越远。在初始冷却过程中，焊缝温度分布不均匀，温度梯度大于焊接过程。

2.2焊接热输入对硬度的影响

不同热输入下焊接接头各位置的显微硬度测试不同，测试点位置选在焊接接头上焊面末焊道表面下方2mm处。从结果能够发现，3种热输入下热影响区的硬度与母材相比，表现出一定的硬化现象。随着热输入的增加，热影响区的最高硬度分别为255HV5、256.5HV5和229.2HV5，但是未超过350HV5，焊缝中心的平均硬度为212.2HV5、222.4HV5和220.3HV5。可以看出，随着热输入的增加焊缝中心的硬度呈增加趋势，这是由于焊缝中心中针状铁素体随热输入增加而增加。总体而言，焊缝中心的硬度高于母材，这主要是由于焊丝中的钼元素含量高于母材。焊缝中心硬度表现不均匀性，主要是由于合金元素不均匀性，导致组织不均匀和第二相的析出。焊缝中心的硬度比热影响区低，这是由于焊丝中缺少钒元素、铌元素、铬元素，导致焊丝熔化时焊缝合金化程度比热影响区合金化程度低，钒元素、铌元素、铬元素合金元素在一定程度上对热影响区硬度的提高起了很大作用。此外，热输入也对硬度在接头的分布有一定影响。热输入太大导致焊缝发生再结晶使晶粒粗化较为严重，晶界变粗，硬度值下降。

2.3焊件残余应力及形变分析

焊缝的最大残余应力位于焊缝的长度方向，焊缝的残余应力基本相同（219MPa），在宽度方向上，焊缝的残余应力与焊缝到焊缝的距离呈负相关。焊接后，沿焊缝宽度方向，从焊缝区到焊缝外端，变形逐渐增大，最大变形（0.428mm）位于焊缝宽度方向的外端；焊缝面积先增大后减小，最小变形区位于焊缝两侧。

2.4热输入对焊件残余应力和形变的影响

焊接件的残余应力和变形的产生与焊接件的加热和冷却过程有关。它是焊接材料特性、内部热传导、焊缝与空气的对流换热、堆焊过程中的热输入等因素综合作用的结果。为了研究不同热输入条件对焊接件残余应力和变形的影响，基于控制变量法，分别改变焊接速度和焊接电流，通过热载荷求解焊接件。在完成分析后，提取并分析残余应力和变形数据。当焊接速度为V＝12mm／s时，焊接电流逐渐改变。当焊接速度v=12mm/s时，焊接电流逐渐增大，最大残余应力逐渐增大。当I大于20A且热输入达到一定值时，最大残余应力开始逐渐趋向于某一值（220MPa），达到一定值。材料屈服极限。

当焊接电流逐渐增大时，焊缝变形先增大后减小。当I＝130A时，变形达到最大值（0.5mm）。这是因为随着焊接电流的增加，热输入逐渐增加，热传导和对流换热增强，温度场的分布梯度随着焊接电流的增加而逐渐增大。当热输入达到一定值时，温度场的分布梯度逐渐减小，焊缝变形趋于缓和，变形逐渐减小。

当焊接电流I=11A时，焊接速度逐渐加快，冷却后焊件的最大残余应力和形状变化变小。这是因为随着焊接速度的增加，单位时间的热输入逐渐减小，温度场分布的梯度逐渐减小。在焊缝内部热传导和焊缝与空气对流换热的联合作用下，焊缝的最大残余应力和形状变量逐渐减小。

3新型堆焊技术分析

3.1宽带堆焊技术连铸辊

正常情况下来看，宽带堆焊技术，是所有堆焊技术当中维修效率最大的技术之一，同时在焊接已经完成定型工作的合金带过程中，能够合理控制焊接宽度，一般情况下，都要大于300mm，同时还能够一次焊接成型。不但可以提高整体堆焊效率，同时还能在最大程度上减少合金元素的无故浪费，为此在冶金设备的维修面积较大时，可以应用这一技术进行维修工作。

3.2激光堆焊技术

在使用激光堆焊技术的过程中，对于热量的输入需要进行精准的把握，同时还应该尽量减少冷却的时间，由于激光堆焊技术在使用过程中具有准确把握稀释率和成分、热畸变可能性小以及冷却时间段等优势，在这种技术下完成的堆焊层具有较为突出的性能，同时维修后的组织结构也比较严密。除此之外，通过激光堆焊技术来处理冶金机械设备，不需要直接接触各种材料，只需要掌握具体参数就可以进行焊接工作，同时还能保证焊接维修的质量和效率，因此激光堆焊技术的自动化程度很高。在现实冶金工作当中，激光堆焊技术在冶金机械设备维修中使用次数最多的就是修复轧辊工作。

结束语

总而言之，焊接过程采用多层多道焊工艺，通过控制焊接热输入来调整焊接热规范，将焊接热输入控制在25kJ/cm范围内，将层间温度严格控制在100℃以下。本文主要对焊接热输入对堆焊残余应力和变形的影响进行了简要的探讨，希望可以为相关工作人员提供一定的参考。

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