焊接變形和應(yīng)力的分析

1、淺談焊接變形和應(yīng)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(gòu)成的，在焊接過(guò)程中是一個(gè)局部加熱的過(guò)程，總是要產(chǎn)生焊接變形和應(yīng)力，焊接變形和應(yīng)力直接影響結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量和使用性能，應(yīng)力的存在有可能導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋，而變形則影響結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸誤差，因此我研究理解焊接變形和應(yīng)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(guò)大焊接變形和應(yīng)力后，能設(shè)法減少或消除。 關(guān)鍵詞：焊接變形；焊接應(yīng)力；焊后熱處理；接頭組織； 一、焊接變形和應(yīng)力產(chǎn)生的原因 焊縫是在自然狀態(tài)下結(jié)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(jìn)縫區(qū)的金屬在焊接熱的作用下也會(huì)發(fā)生組織變化，像經(jīng)過(guò)了一次熱處

2、理一樣。在焊接過(guò)程中，焊件中產(chǎn)生的隨時(shí)間而變化的變形和內(nèi)應(yīng)力分別稱為瞬時(shí)變形和焊接瞬時(shí)應(yīng)力，焊后焊件溫度冷卻至室溫時(shí)留存于焊件中的變形和應(yīng)力分別稱為焊接殘余變形和焊接殘余應(yīng)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(nèi)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(yīng)力和變形的根本原因。下面我將分析一下焊縫的化學(xué)成分和組織。二、焊縫的化學(xué)成分及焊接接頭的金相組織 焊縫的化學(xué)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(lái)定，但是對(duì)于用藥皮焊條的手工電弧焊，電弧氣體和起保護(hù)作用的焊渣對(duì)焊縫成分有很大影響對(duì)焊接質(zhì)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(huì)燒損合金元素，阻礙焊接過(guò)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(duì)于解決氧化問(wèn)題的餓措施可以對(duì)于氧化問(wèn)題突出的金屬材料最好采 用氬弧焊，焊接一般鋼材時(shí)可以采用藥皮手工電弧焊，此時(shí)除電弧氣體和溶渣進(jìn)行保護(hù)并注意操作因素外，還要進(jìn)行脫氧或消除氧化物帶來(lái)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(yán)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(duì)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(duì)焊縫成分進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的基礎(chǔ)是工件的成分，調(diào)

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(lái)減少某些元素的含量，也可有意識(shí)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(jié)合接頭內(nèi)各點(diǎn)的熱過(guò)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(guò)兩次組織變化(第一次結(jié)晶和第二次結(jié)晶)。從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)(奧氏體)時(shí)的凝固結(jié)晶程為第一次。當(dāng)焊縫金屬溫度低于相變溫度時(shí)發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變(由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和珠光體)為第二次結(jié)晶。三、焊接變形和應(yīng)力的種類·(包括焊接缺陷) 我們?cè)?/p>

5、了解了焊縫的組織成分之后就可以推出焊接變形和應(yīng)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)剛性的影響，裝配焊接程序的影響、焊縫長(zhǎng)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(shè)計(jì)、采用必要的工藝措施(如預(yù)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(diào)整法)來(lái)控制焊接變形的存在或盡量減少焊接變形。 焊接應(yīng)力包括：熱應(yīng)力、拘束應(yīng)力、相變應(yīng)力、氫

6、致集中應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力。這些應(yīng)力的存在對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與受壓件穩(wěn)定性、構(gòu)件脆性斷裂、疲勞強(qiáng)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(yīng)力，可以從設(shè)計(jì)、工藝及焊后處理三方面入手。設(shè)計(jì)方面：焊縫布置應(yīng)盡量分散并避免交叉、避免在斷面劇烈過(guò)度區(qū)設(shè)置焊縫、改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；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(yù)熱、錘擊焊縫；焊后處：采取焊后熱處理、機(jī)械拉伸法等都可以減少焊接應(yīng)力的存在。在控制焊接變形和應(yīng)力時(shí)我們必須嚴(yán)格控制焊接條件，如果焊接條件不當(dāng)會(huì)引起各種焊接缺陷，有焊縫外部缺陷、焊縫內(nèi)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

7、、焊瘤等；焊縫內(nèi)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?cè)诤附雍涂刂坪附幼冃闻c應(yīng)力時(shí)要引起注意。四、消除和減小變形的措施 在了解了焊接應(yīng)力和變形產(chǎn)生原因以及種類后，我們就應(yīng)該從各個(gè)方面去控制，避免焊接變形和應(yīng)力的存在和擴(kuò)大，下面我將從工藝上和設(shè)計(jì)上闡述如何消除和減少焊接變形的措施。 1、減少焊接應(yīng)力與變形的工藝措施主要有：1）預(yù)留收縮變形量根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在焊件備料及加工時(shí)預(yù)先考慮收縮余量，以便焊后 工件達(dá)到所要求的形狀、尺寸。2）反變形法 根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，預(yù)先估計(jì)結(jié)構(gòu)焊焊接件變形的方向和大小，然后在焊接裝配時(shí)

8、給予一個(gè)方向相反、大小相等的預(yù)置變形，以抵消焊后產(chǎn)生的變形。3） 剛性固定法焊接時(shí)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(huì)增大焊接應(yīng)力，只適用于塑性較好的低碳鋼結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)件時(shí)，應(yīng)先焊錯(cuò)開(kāi)的短焊縫，再焊直通長(zhǎng)焊縫，以防在焊縫交接處產(chǎn)生裂紋。如果焊縫較長(zhǎng)，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(yīng)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(zhǎng)的焊件可以采用分中對(duì)稱焊法、跳焊法，分段逐步退焊法。交替焊法 

9、;；   c.焊件焊接時(shí)要先將所焊接的焊縫都點(diǎn)固后，再統(tǒng)一焊接。能夠提高焊接焊件的剛度，點(diǎn)焊固定后在進(jìn)行焊接，其將增加焊接結(jié)構(gòu)的剛度的部件先焊，使結(jié)構(gòu)具有抵抗變形的足夠剛度；d.具有對(duì)稱焊縫的焊件最好成雙的對(duì)稱焊接使各焊道引起的變形相互抵消；e. 焊件焊縫不對(duì)稱時(shí)要先焊接焊縫少的一側(cè)。f.采用對(duì)稱與中和軸的焊接和由中間向兩側(cè)焊接都有利于抵抗焊接變形。g.在焊接結(jié)構(gòu)中， 當(dāng)鋼板拼接時(shí)，同時(shí)存在著橫向的端接焊縫和縱向的邊接焊縫。應(yīng)該先焊接端接焊縫再焊接邊接焊縫。h.在焊接箱體時(shí)，同時(shí)存在著對(duì)接和角接焊縫時(shí)，首先盡量焊接對(duì)接焊縫，然后焊接角焊縫。i.十字接頭和

10、丁字接頭焊接時(shí)，應(yīng)該正確采取焊接順序，避免焊接應(yīng)力集中，以保證焊縫獲得良好的焊接質(zhì)量。對(duì)稱與中軸的焊縫，應(yīng)由內(nèi)向外進(jìn)行對(duì)稱焊接。j.焊接操作時(shí)， 減少焊接時(shí)的熱輸入，（如：降低電流、加快焊接速度、）。k.焊接操作時(shí)，減少熔敷金屬量（焊接時(shí)采用小坡口、減少焊縫寬度、焊接角焊時(shí)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(dāng)?shù)男《?，?biāo)明次序，進(jìn)行后退焊補(bǔ)。焊縫邊緣區(qū)段的焊補(bǔ)，從裂紋的終端向中心方向進(jìn)行，其它各區(qū)段接首尾相接的方法進(jìn)行5) 錘擊焊縫法 在焊縫的冷卻過(guò)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

11、變形，從而減小焊接應(yīng)力和變形 。6) 加熱“減應(yīng)區(qū)”法 a. 焊接前，在焊接部位附近區(qū)域(稱減應(yīng)區(qū))進(jìn)行加熱使之伸長(zhǎng)，焊后冷卻時(shí)，與焊縫一起收縮，可有效減小焊接應(yīng)力和變形。b. 焊接后，在焊接部位附近區(qū)域進(jìn)行加熱，同樣可減少焊接應(yīng)力和變形。7)焊前預(yù)熱和焊后緩冷 預(yù)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(lái)，從而減少焊接應(yīng)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(jìn)行焊接可降低焊接變形。如CO2氣體保護(hù)焊，埋弧焊等3 減少焊接應(yīng)力與變形的從設(shè)計(jì)方面的措施主要有

12、1) 選用合理的焊縫尺寸和形狀，在保證構(gòu)件的承載能力的條件下，應(yīng)盡量采用較小的焊縫尺寸； 2) 減少焊縫的數(shù)量，在滿足質(zhì)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(jié)構(gòu)上允許應(yīng)該盡可能使焊縫對(duì)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(yīng)力及基本的控制方法后，我們?yōu)榱苏w消除焊接結(jié)構(gòu)過(guò)程和成型過(guò)程中的殘余應(yīng)力、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形狀和尺寸以及改善母材和焊接接頭的性能，往往需要進(jìn)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(guò)程，實(shí)際上消除應(yīng)力退火處理不僅可以消除大部分焊接殘余應(yīng)力，而且在該工藝條件下，對(duì)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(jié)：1)焊接后總是存在焊接變形和焊接應(yīng)力，他們的存在影響了焊件的使用性能，甚至導(dǎo)致