浅析焊接应力与焊接变形的产生原因与控制措施

浅析焊接应力与焊接变形的产生原因与控制措施

宋建义 王龙庆

中车青岛四方机车车辆股份有限公司， 山东青岛 266111

摘 要：随着焊接技术不断进步，现代焊接向着大型化、高精度的方向发展，如何采取措施控制减小金属构件在焊接过程中发生的应力与变形，从而提高焊接质量有着十分重要的现实意义。

关键词： 焊接应力 焊接变形 产生原因 控制措施

焊接应力和变形是指焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的焊件的形状和尺寸变化，在焊接过程中，由于焊件局部的温度发生变化，产生应力变形。进而导致了构件产生变形。因此，通过对焊接结构及焊接变形的分析，通过对焊接工艺焊件结构设计等方面采取有效措施，从而提高焊接质量及工作效率。

一、焊接应力与焊接变形产生的原因

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。当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变形称为瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力和变形。在没有外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的。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、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。

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。

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。

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。

焊接变形的控制措施及消除方法。

二、控制焊接应力与变形的措施

焊接过程中引起的焊件变形直接影响焊件的性能和使用，因此需要采用不同的焊接工艺来控制和预防焊件的变形，并对产生焊接变形的构件进行矫正。 变形的种类有7种形式，①纵向收缩变形：沿焊缝长度方向的收缩。②横向收缩变形：垂直于焊缝方向的横向收缩。③角变形：绕焊缝轴线的角位移。④挠曲变形：构件中性轴上下不对称的收缩引起的弯曲变形。⑤失稳变形：薄壁结构在焊接残余压应力的作用下，局部失稳而产生波浪形；⑥错边变形：焊接边缘在焊接过程中，因膨胀不一致而产生的厚度方向的错边。⑦扭曲变形：由于装配不良、施焊程序不合理而使焊缝的纵向、横向收缩没有规律所引起的变形。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，通常采用的工艺措施有：

1、采用合理的装配、焊接顺序。采取合理的焊接顺序，先焊接收缩量大的焊缝。焊接时适当降低焊件的刚度，并在焊件的适当部位局部加热，使焊缝能比较自由地收缩，以减小残余应力。

2、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。

3、反变形法。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。

4、刚性固定法。刚性固定法焊接时将焊件加以刚性固定，焊后待焊件冷却到室温后再去掉刚性固定，可有效防止角变形和波浪变形。

三、消除焊接应力的方法

消除焊接应力的方法有：热处理法、机械法和振动法等

1、热处理法包括：整体高温回火和局部高温回火。整体高温回火是将整个构件放在炉中加热到500~650℃，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。局部部高温回火对焊缝周围局部区域进行加热，它只能降低残余应力峰值，不能完全消除残余应力。

2、机械法，锤击焊缝法在焊缝的冷却过程中，采用带有小圆弧面的手锤或风枪锤击焊缝，使焊缝金属延展，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，锤击时力量要适中，使2mm范围内受到影响，避免因锤击过重而产生裂纹。

3、振动法，即以振动产生的交变应力对工件施加附加应力，当附加应力与焊接残余应力叠加后达到或超过金属材料的屈服点时，在工件内部就会产生一定塑性变形，从而使焊接残余降低或均匀化。这种方法设备简单、操作方便、经济性好，但振动参数不易选择。

四、矫正焊接变形的方法

通常矫正焊接变形的方法有两种：一是机械矫正法，也叫冷加工法。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。一般适用于小尺寸焊件或变形程度较小的焊件。二是火焰矫正法，也叫热加工法。即利用火焰温度对钢材局部进行加热，在其冷却时产生新的局部形变，从而抵消旧的形变，达到矫正的目的。一般适用于低碳钢结构和部分普通低碳合金钢。

五：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。

参考文献：

[1]陈伯蠡 《焊接工程缺陷分析与对策 》［m］机械工业出版社2006

[2]张洪哲 《焊接应力和变形的控制方法》［j］企业科技与发展 2009