焊接變形的分析與控制

1、焊接變形的分析與控制隨著我國鋼結構產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，焊接技術在鋼結構工程中得到大量的應用，焊接工件尤其是厚板件的變形現(xiàn)象也成為人們密切關注的焦點。 在焊接過程中，焊接殘余應力和焊接變形會嚴重影響制造過程、焊接結構的使用性能、焊接接頭的抗脆斷能力、疲勞強度、抗應力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂能力。焊接變形在制造過程中也會危及形狀與公差尺寸、接頭安裝偏差且增加坡口間隙，使制造過程更加困難，當出現(xiàn)問題時還需采取一些費時耗資的附加工序來進行彌補，不僅增加成本，還可能出現(xiàn)由此工序帶來的其他不利因素。因此，要得到高質量的焊接結構必須對這些現(xiàn)象嚴格控制。焊接應力分析熔化焊接時，被焊金屬在熱源作用下發(fā)生局部加熱和熔化

2、，材料的力學性能也會發(fā)生顯著的變化，而焊接熱過程也直接決定了焊縫和熱影響區(qū)焊后的顯微組織、殘余應力與變形大小，所以焊接熱過程的準確計算和測定是焊接應力和變形分析的前提。因此在焊接過程的模擬研究中，只考慮溫度場對應力場的影響，而忽略應力場對溫度場的作用。同時，非線性、瞬時作用以及溫度相關性效應等也會妨礙正確描述在各種情況下產(chǎn)生的殘余應力，并使統(tǒng)一系統(tǒng)化的工作很難完成。為使其簡單化，實際中常用焊接性的概念作為一種分類系統(tǒng)，將焊接分解為熱力學、力學和顯微結構等過程，從而降低了焊接性各種現(xiàn)象的復雜性。圖1所示的工藝基礎將焊接性分解為溫度場、應力和變形場以及顯微組織狀態(tài)場。這種分解針對焊接殘余應力和焊接

3、變形的數(shù)值分析處理很有價值。在狹義上，焊接性又可理解成所要求的強度性能。影響強度性能的主要因素又包括化學成分、相變顯微組織、焊接溫度循環(huán)、焊后熱處理、構件形狀、負載條件以及氫含量等。因此可將圖1擴展成圖2以強調相變行為的影響。其中，圖1和圖2中的箭頭表示相互影響，實箭頭表示強烈的影響，虛箭頭表示較弱的影響。顯微組織的轉變不僅決定于材料的化學成分，也決定于其受熱過程（特別是與焊接有關的過程），特別是它在焊接接頭的熱影響區(qū)和熔化區(qū)的影響更加引人注意。圖1 顯微組織度與溫度、應力應變場 圖2 擴展的顯微組織和溫度、應力應變場之間的相互關系從客觀規(guī)律來看，構件焊接時產(chǎn)生瞬

4、時應力，焊后產(chǎn)生殘余應力，并同時產(chǎn)生殘余變形。但一般人們在制作過程中重視的是控制變形，往往采取措施來增大被焊構件的剛性，以求減小變形，而忽略與此同時增加的瞬時應力與焊接殘余應力，此時構件在拉應力作用下甚至可能出現(xiàn)裂紋。即使未產(chǎn)生裂紋，殘余應力在結構受載時內力均勻化的過程中也會導致構件失穩(wěn)、變形甚至破壞。因此焊接應力的控制與消除在鋼結構制作過程中是十分重要的。焊接變形控制在焊接過程中，厚板對接焊后的變形主要是角變形。在實踐中一般采取控制變形的發(fā)法，即先焊正面的一部分焊道，翻轉工件，碳刨清根后焊反面的焊道，再翻轉工件，這樣如此往復。一般來說，每次焊接35道焊縫后即可翻身，直至焊滿正面的各道焊縫。同

5、時在施焊時要隨時觀察其角變形情況，注意隨時準備翻身焊接，以盡可能的減少焊接變形及焊縫內應力。另外，設置胎夾具對構件進行約束也可有效地控制變形，此類方法一般適用于異形厚板結構，由于厚板異形結構造型奇特，斷面、截面尺寸各異，在自由狀態(tài)下，尺寸精度難以保證，這就需要根據(jù)構件的形狀，制作胎模夾具，將構件處于固定的狀態(tài)下進行裝配、定位、焊接，進而控制焊接變形。除以上方法外，用以下方法也可以防止焊接變形： 1. 采取合理的焊接順序選擇與控制合理的焊接順序，是防止焊接應力的有效措施，也是防止焊接變形最有效的方法之一。根據(jù)不同的焊接方法，制定不同的焊接順序，埋弧焊一般采用逆向法、退步法；CO2氣體保

6、護焊及手工焊采用對稱法、分散均勻法；編制合理的焊接順序的方針是“分散、對稱、均勻、減小拘束度”。2. 采取反變形措施對于鋼結構工程中比較常見的箱形構件，將上、下翼緣板按圖3所示壓制反變形后進行組裝。 圖3 反變形示意反變形角度可通過對焊縫焊接過程中的熱輸入量的計算來確定。構件焊后由于焊接角變形現(xiàn)象，基本可將翼板回復至平直狀態(tài)。焊接應力的控制控制應力的目標是降低應力的峰值并使其均勻分布。具體措施有以下幾種：1. 減小焊縫尺寸焊接內應力由局部加熱循環(huán)而引起，我們要針對不同厚度的板材，盡量采用雙面坡口，減小焊縫尺寸。2. 減小焊接拘束度拘束度越大，焊接應力就越大，因此應盡量使焊縫在較小拘束

7、度下焊接。如長構件需要拼接板條時，要盡量在自由狀態(tài)下施焊，不要待到組裝時再焊，應先將其拼接工作完成，再行組裝構件。若組裝后再焊，則因其無法自由收縮，拘束度過大而產(chǎn)生很大應力。3. 采取合理的焊接順序在焊接較多組裝件的條件下，應根據(jù)構件形狀和焊縫的布置，采取先焊收縮量較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫；先焊拘束度較大而不能自由收縮的焊縫，后焊拘束度較小而能自由收縮的焊縫的原則。4. 采用補償加熱法在構件焊接過程中，為了減少焊接熱輸入流失過快，焊縫在結晶過程中產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，當板厚達到一定厚度時，焊前應對焊縫周邊一定范圍內進行加熱，即焊前預熱，加熱溫度視板厚及母材碳當量（CE）而定。5. 對構件進行

8、分解施工對于大型結構應采取分部組裝焊接，即對結構各部分分別施工、焊接，矯正合格后再總裝焊接。焊接應力的消除我們在實際生產(chǎn)制作過程中要采取有效措施控制焊接應力，但是對于一些特殊工程或特殊構件，還可以采取以下方法進一步消除構件殘余應力。1. 利用對零件整平消除應力鋼板在切割過程中由于切割邊所受熱量大、冷卻速度快，因此切割邊緣存在較大的收縮應力。中、薄板切割后產(chǎn)生扭曲變形，便是這些應力釋放的后果。對于厚板，由于其抗彎截面大，不足以產(chǎn)生彎曲，但收縮應力是客觀存在的，因此在整平過程中可加大對零件切割邊緣的反復碾壓，這對產(chǎn)生的收縮應力的消除極為有利。2. 進行局部烘烤釋放應力構件完工后在其焊縫背部或焊縫兩

9、側進行烘烤。此法過去常用于對“T”形構件焊接角變形的矯正中，不需施加任何外力，構件角變形即可得以校正。由此可見只要控制加熱溫度與范圍，此法對消余應力還是極為有效的。3. 采用超聲波震動消除應力超聲沖擊（UIT）的基本原理就是利用大功率超聲波推動工具以大于2萬次/s的頻率沖擊金屬物體表面，由于超聲波的高頻、高效和聚焦下的大能量，使金屬表面產(chǎn)生較大的壓塑變形，同時超聲沖擊波改變了原有的應力場，產(chǎn)生一定數(shù)值的壓應力，并使被沖擊部位得以強化。此種方法對消除應力極為有效，超聲沖擊如圖4所示。圖4 超生沖擊消除焊接應力4. 采用振動時效法消除應力振動時效的原理是給被時效處理的工件施加一個與其固有諧振頻率相一致的周期激振力，使其產(chǎn)生共振，從而使工件獲得一定的振動能量，使工件內部產(chǎn)生微觀的塑性變形，從而使造成殘余應力的歪曲晶格被漸漸地恢復平衡狀態(tài)，晶粒內部的位錯逐漸滑移并重新纏繞釘扎，使得殘余應力得以被消除和均化。振動時效法具有周期短、效