试述如何控制焊接变形和焊接应力

试述如何控制焊接变形和焊接应力

赵欢

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摘要：随着经济和工业的快速发展，焊接作为一种重要的工业手段，在制造工业中被广泛应用。与铆接、锻造、铸造等工业手段相比，焊接可以不受材料本身形状的限制，并且焊接处的可靠性更高。目前焊接技术仍然存在着一些不足，以至影响产品的外观和质量。本文对焊接结构件焊接变形进行分析，并提出了有效的控制途径，以期为焊接技术的完善提供一定的理论支撑。

关键词：焊接结构件；焊接变形；控制途径

引言

在机械制造业中，尤其在石油装备制造中，如抽油机、钻井等设备，近一半以上的工作量是结构件的焊接，焊接作为重要的加工工艺，在生产制造过程中发挥着不可替代的作用。但是在实际操作的现场，由于受到环境温度、结构件温度、焊工的技术水平、焊接方法等条件的影响，使得焊接制造和焊接生产中焊接接头会出现瞬间变形和瞬态热应力。据统计，在制造业中每年因为焊接应力所带来的损失已经高达千万元以上，甚至还会对人们的生命安全造成危害。因此，在工业制造中对焊接结构件焊接变形的重视程度越来越高，为了更好的保障工业生产安全，已经发展成为当下必须解决的重要问题。

1焊接变形的概念

焊接变形主要是指在焊接过程中由于焊接工作而导致的焊接件变形。焊接变形的开始时间是焊接开始的一瞬间。焊接变形结束的节点是焊接结束后焊接件的温度降低到焊接初始温度。焊接变形有两种情况，第一种是焊接过程中出现的焊接变形；第二种是焊接完成后出现的焊接变形。

2焊接应力的概念

焊接应力主要指的是焊接过程出现的焊接件内部的结构应力，同时焊接完成后焊接件内部还会产生少量的焊接应力。焊接应力的出现也是在焊接开始的时候，焊接应力会随着焊接的进行而发生变化，焊接应力的分布没有规律，会随着焊接的进行而随时发生变化。

3焊接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。

4焊接应力的分类

4.1接应力在焊件空间位置

一维空间应力沿着焊件—个方向作用;二维空间应力应力在—个平面内不同方向上作用;三维空间应力应力在空间所有方向上作。

4.1.2按产生应力的原因

热应力它是在焊接过程中，焊件内部温差所引起应力，随着温度的消失而消失，并且是引起热裂纹的力学原因。

相变应力焊接过程中，局部金属发生相变，相比容增大或减小而引起的应力。

塑变应力在焊接过程中，在近逢高温区的金属收到热胀冷缩受阻生产的塑性变形。

4.2焊接变形

4.2.1焊接变形特点

焊接是不均匀的加热过程，热源只集中在焊接部位，且以—定速度向前运动，局部受热膨胀金属能引起焊件在空间发生各种形态的变形，焊缝凝固和冷却发生收缩，变形是在焊接开始便产生，并随着焊接热源的移动和焊件上温度分布变化而变化。焊接变形与焊件的形状尺寸、焊缝在工件的位置、焊缝的坡口形状、材料的热物理性能以及加热条件有关。

4.2.2焊接变形的分类

焊接过程中随着时间而发生的变形称为焊接瞬间变形，工件焊完冷却后，焊件上残留的焊接变形为焊接变形，我们更注重焊接变形，它对焊件质量和使用性能产生影响。一般焊接变形分为以下几种：

4.2.2.1横向收缩变形：垂直与焊缝方向的收缩。

4.2.2.2纵向收缩变形：焊接方向的收缩。

4.2.2.3扭曲变形：焊接细长构件时，时构件绕自身轴线发生扭转。

5焊接应力、焊接变形的控制措施

5.1焊接应力的控制措施

构件焊接时产生瞬时内应力,焊接后产生应力,并同时产生变形,这是不可避免的现象。焊接变形的矫正费时费工,构件制造和安装企业首先考虑的是控制焊接变形,往往对控制焊接应力较为忽视,常用一些卡具、支撑以增加刚性来控制焊接变形,与此同时实际上是增大了焊后的应力。对于一些本身刚性较大的构件,如板厚较大,截面本身的惯性矩较大时,虽然焊接变形会较小,但却同时产生较大的焊接内应力,甚至产生焊接裂纹。因此,对于一些构件截面厚大,焊接节点复杂,拘束度大,钢材强度级别高,使用条件恶劣的重要结构要注意焊接应力的控制。控制应力的目标是降低其峰值使其均匀分布,其控制措施有以下几种:减小焊缝尺寸;减小焊接拘束度;采取合理的焊接顺序;降低焊件刚度,创造自由收缩的条件;锤击法减小焊接应力;采用抛丸机除锈。

5.2减小焊缝截面积

在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下,尽可能采用较小的坡口尺寸(角度和间隙)。对屈服强度345MPa以下,淬硬性不强的钢材采用较小的热输入,尽可能不预热或适当降低预热、层间温度;优先采用热输入较小的焊接方法,如CO2气体保护焊。厚板焊接时尽可能采用多层焊代替单层焊。在满足设计要求情况下,纵向加强肋和横向加强肋的焊接方法可采用间断焊接法。双面均可焊接操作时,要采用双面对称坡口,并在多层焊接时采用与构件中和轴对称的焊接顺序。T形接头板厚较大时采用开坡口角对接焊缝。采用焊前反变形方法控制焊后的角变形。采用刚性夹具固定法控制焊后变形。采用构件预留长度法补偿焊缝纵向收缩变形,如H形纵向焊缝每米长可预留0.5mm～0.7mm。对于长构件的扭曲,主要靠提高板材平整度和构件组装精度,使坡口角度和间隙准确,电弧的指向或对中准确,以使焊缝角度变形和翼板及腹板纵向变形值与构件长度方向一致。在焊缝众多的构件组焊时或结构安装时,要采取合理的焊接顺序。设计上要尽量减少焊缝的数量和尺寸,合理布置焊缝,除了要避免焊缝密集以外,还应使焊缝位置尽可能靠近构件的中和轴,并使焊缝的布置与构件中和轴相对称。

5.3控制焊接应力的产生

虽然在焊接过程中避免焊材和母材之前发生形变和产生焊接应力是不可能的，但是根据不同材质以及焊接材料的选择上，同时利用不同材质的有机机理可以在一定程度上缓和形变和焊接应力的产生，可以使得其危害程度发生在最小。

结语

综上所述，在机械制造业进行日常的焊接工作时，影响焊接结构将发生变形的因素很多，而焊接结构架变形也是众多因素共同作用的结果。因此，在焊接环境合适的情况下，适当地调整焊接规范和焊接工艺可以减少焊接结构件的变形量。其次，焊接作业人员也要在不断的作业实践中总结经验，不断地对焊接工艺进行完善和优化，使我国制造工业的装焊技术和焊接工艺的水平再上一个新台阶，为机械工业企业带来给好的经济效益和发展空间，促进我国机械工业的发展。

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