焊接變形和應力的分析[優(yōu)質借鑒]

1、淺談焊接變形和應力的分析與處理方法 摘要：焊縫是由工件金屬和焊芯金屬構成的，在焊接過程中是一個局部加熱的過程，總是要產(chǎn)生焊接變形和應力，焊接變形和應力直接影響結構的制造質量和使用性能，應力的存在有可能導致產(chǎn)生裂紋，而變形則影響結構的形狀和尺寸誤差，因此我研究理解焊接變形和應力產(chǎn)生的原因、種類、基本規(guī)律和影響因素，以便控制和防止一旦發(fā)生過大焊接變形和應力后，能設法減少或消除。 關鍵詞：焊接變形；焊接應力；焊后熱處理；接頭組織； 一、焊接變形和應力產(chǎn)生的原因 焊縫是在自然狀態(tài)下結晶的，屬鑄造類型組織，它與基本是扎制狀態(tài)的工件是不相同的，進縫區(qū)的金屬在焊接熱的作用下也會發(fā)生組織變化，像經(jīng)過了一次熱處

2、理一樣。在焊接過程中，焊件中產(chǎn)生的隨時間而變化的變形和內應力分別稱為瞬時變形和焊接瞬時應力，焊后焊件溫度冷卻至室溫時留存于焊件中的變形和應力分別稱為焊接殘余變形和焊接殘余應力。而焊接接頭局部區(qū)域的加熱和冷卻是很不均勻的，局部區(qū)域內的各部分金屬又處于從液態(tài)到塑性狀態(tài)在到彈性狀態(tài)的不同狀態(tài)，并隨熱源的變化而變化，這就是產(chǎn)生焊接應力和變形的根本原因。下面我將分析一下焊縫的化學成分和組織。二、焊縫的化學成分及焊接接頭的金相組織 焊縫的化學成分可以由焊縫中工件金屬、焊芯金屬所占的比例他們的成分來定，但是對于用藥皮焊條的手工電弧焊，電弧氣體和起保護作用的焊渣對焊縫成分有很大影響對焊接質量影響較大的氣體有氧

3、化性氣體(氧氣、二氧化碳)、氮和氫等，它們會燒損合金元素，阻礙焊接過程，產(chǎn)生氣孔、夾雜，降低焊縫性能，所以我們要采取措施減少這些氣體。 對于解決氧化問題的餓措施可以對于氧化問題突出的金屬材料最好采 用氬弧焊，焊接一般鋼材時可以采用藥皮手工電弧焊，此時除電弧氣體和溶渣進行保護并注意操作因素外，還要進行脫氧或消除氧化物帶來的危害；氮一旦侵入焊縫就很難消除，控制氮的措施主要是選用能嚴密隔絕空氣的焊接方法，手工電弧焊還可以采取控制焊接規(guī)范、控制焊絲成分等方法；對于減少接頭含氫量的措施是控制焊接區(qū)水分、冶金處理、控制焊接規(guī)范、焊后脫氫處理等。 所以我們有必要對焊縫成分進行調整，調整的基礎是工件的成分，調

4、整的要求是保持原成分或者要增加、減少某些元素的含量。我們可以用燒損和稀釋的方法來減少某些元素的含量，也可有意識增加某元素為滲合金或合金話。 焊接接頭的金相組織：焊接接頭是焊縫、融合區(qū)、和熱影響區(qū)的總稱。根據(jù)焊件的成分、熱處理規(guī)律和原始狀態(tài)，結合接頭內各點的熱過程特征就可以得到接頭的金相組織。焊縫金屬由融池的液態(tài)金屬凝固而成，融池金屬由高溫冷卻到常溫，一般要經(jīng)過兩次組織變化(第一次結晶和第二次結晶)。從液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)(奧氏體)時的凝固結晶程為第一次。當焊縫金屬溫度低于相變溫度時發(fā)生的組織轉變(由奧氏體轉變?yōu)殍F素體和珠光體)為第二次結晶。三、焊接變形和應力的種類(包括焊接缺陷) 我們在了解了焊縫的

5、組織成分之后就可以推出焊接變形和應力的種類包括焊接缺陷。 焊接變形包括：縱向收縮變形和橫向收縮變形；橫向彎曲變形（角變形）；旋轉變形；波浪變形；扭曲變形，縱向彎曲變形，既然存在這些變形我們就要控制。影響焊接變形的因素有焊縫位置的影響、結構剛性的影響，裝配焊接程序的影響、焊縫長度和坡口型式的影響、焊接規(guī)范和方法的影響、焊接操作方法的餓影響、材料線脹系數(shù)的影響。為此我們可以采用合理的設計、采用必要的工藝措施(如預留收縮余量、反變形法、選擇合理的焊接方法和規(guī)范、合理的裝配焊接次序、剛性固定法、熱調整法)來控制焊接變形的存在或盡量減少焊接變形。 焊接應力包括：熱應力、拘束應力、相變應力、氫致集中應力、

6、焊接殘余應力。這些應力的存在對結構強度與受壓件穩(wěn)定性、構件脆性斷裂、疲勞強度、焊件加工精度和尺寸穩(wěn)定性、庳力腐蝕都有影響。所以我們必須減少和消除焊接應力，可以從設計、工藝及焊后處理三方面入手。設計方面：焊縫布置應盡量分散并避免交叉、避免在斷面劇烈過度區(qū)設置焊縫、改進結構設計；工藝方面：采取合理的焊接順序、采取合理的施焊方法、采取焊前預熱、錘擊焊縫；焊后處：采取焊后熱處理、機械拉伸法等都可以減少焊接應力的存在。在控制焊接變形和應力時我們必須嚴格控制焊接條件，如果焊接條件不當會引起各種焊接缺陷，有焊縫外部缺陷、焊縫內部缺陷、焊縫裂紋。焊縫外部缺陷主要表現(xiàn)在焊縫尺寸不符合要求、咬邊、弧坑、焊瘤等；焊

7、縫內部缺陷有氣孔、裂紋、夾渣、未焊透、未融合等；焊接裂紋有熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋。所以我們在焊接和控制焊接變形與應力時要引起注意。四、消除和減小變形的措施 在了解了焊接應力和變形產(chǎn)生原因以及種類后，我們就應該從各個方面去控制，避免焊接變形和應力的存在和擴大，下面我將從工藝上和設計上闡述如何消除和減少焊接變形的措施。 1、減少焊接應力與變形的工藝措施主要有：1）預留收縮變形量根據(jù)理論計算和實踐經(jīng)驗，在焊件備料及加工時預先考慮收縮余量，以便焊后工件達到所要求的形狀、尺寸。2）反變形法根據(jù)理論計算和實踐經(jīng)驗，預先估計結構焊焊接件變形的方向和大小，然后在焊接裝配時給予一個方向相反、大小相等的預置變形

8、，以抵消焊后產(chǎn)生的變形。3）剛性固定法焊接時將焊件加以剛性固定，焊后待焊件冷卻到室溫后再去掉剛性固定，可有效防止角變形和波浪變形。此方法會增大焊接應力，只適用于塑性較好的低碳鋼結構。4）選擇合理的焊接順序盡量使焊縫自由收縮。焊接焊縫較多的結構件時，應先焊錯開的短焊縫，再焊直通長焊縫，以防在焊縫交接處產(chǎn)生裂紋。如果焊縫較長，可采用逐步退焊法和跳焊法，使溫度分布較均勻，從而減少了焊接應力和變形合理的裝配和焊接順序。具體如下：a.先焊收縮量大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫；b.焊縫較長的焊件可以采用分中對稱焊法、跳焊法，分段逐步退焊法。交替焊法；c.焊件焊接時要先將所焊接的焊縫都點固后，再統(tǒng)一焊接。能

9、夠提高焊接焊件的剛度，點焊固定后在進行焊接，其將增加焊接結構的剛度的部件先焊，使結構具有抵抗變形的足夠剛度；d.具有對稱焊縫的焊件最好成雙的對稱焊接使各焊道引起的變形相互抵消；e. 焊件焊縫不對稱時要先焊接焊縫少的一側。f.采用對稱與中和軸的焊接和由中間向兩側焊接都有利于抵抗焊接變形。g.在焊接結構中，當鋼板拼接時，同時存在著橫向的端接焊縫和縱向的邊接焊縫。應該先焊接端接焊縫再焊接邊接焊縫。h.在焊接箱體時，同時存在著對接和角接焊縫時，首先盡量焊接對接焊縫，然后焊接角焊縫。i.十字接頭和丁字接頭焊接時，應該正確采取焊接順序，避免焊接應力集中，以保證焊縫獲得良好的焊接質量。對稱與中軸的焊縫，應由

10、內向外進行對稱焊接。j.焊接操作時，減少焊接時的熱輸入，（如：降低電流、加快焊接速度、）。k.焊接操作時，減少熔敷金屬量（焊接時采用小坡口、減少焊縫寬度、焊接角焊時減少焊縫尺寸）。l.逐步退焊法，常用于較短裂紋的焊縫。施焊前把焊縫分成適當?shù)男《危瑯嗣鞔涡?，進行后退焊補。焊縫邊緣區(qū)段的焊補，從裂紋的終端向中心方向進行，其它各區(qū)段接首尾相接的方法進行5) 錘擊焊縫法在焊縫的冷卻過程中，用圓頭小錘均勻迅速地錘擊焊縫，使金屬產(chǎn)生塑性延伸變形，抵消一部分焊接收縮變形，從而減小焊接應力和變形。6) 加熱“減應區(qū)”法a. 焊接前，在焊接部位附近區(qū)域(稱減應區(qū))進行加熱使之伸長，焊后冷卻時，與焊縫一起收縮，可

11、有效減小焊接應力和變形。b. 焊接后，在焊接部位附近區(qū)域進行加熱，同樣可減少焊接應力和變形。7)焊前預熱和焊后緩冷預熱的目的是減少焊縫區(qū)與焊件其他部分的溫差，降低焊縫區(qū)的冷卻速度，使焊件能較均勻地冷卻下來，從而減少焊接應力與變形。在溫差相較不大的情況下可稱為冷焊。8) 合理的焊接工藝方法，采用焊接熱源比較集中的焊接方法進行焊接可降低焊接變形。如CO2氣體保護焊，埋弧焊等3 減少焊接應力與變形的從設計方面的措施主要有 1) 選用合理的焊縫尺寸和形狀，在保證構件的承載能力的條件下，應盡量采用較小的焊縫尺寸； 2) 減少焊縫的數(shù)量，在滿足質量要求的前提下，盡可能的減少焊縫的數(shù)量 3) 合理安排焊縫的位置，只要結構上允許應該盡可能使焊縫對稱于焊件截面的中和軸或者靠近中和軸；4焊后熱處理在了解了焊接的各種變形和各種應力及基本的控制方法后，我們?yōu)榱苏w消除焊接結構過程和成型過程中的殘余應力、穩(wěn)定結構形狀和尺寸以及改善母材和焊接接頭的性能，往往需要進行焊后熱處理。焊后熱處理是將其加熱到400以上，Acl以下的某一溫度,保持并均勻冷卻的過程，實際上消除應力退火處理不僅可以消除大部分焊接殘余應力，而且在該工藝條件下，對去氫和軟化組織、提高塑性韌性和防止焊接裂紋等均有良好的效果 總結：1)焊接后總是存在焊接變形和焊接應力，他們的存在影響了焊件的使用性能，甚至導致不能使用。通過分析研究