影響焊接應力和焊接變形的因素及控制措施

影響焊接應力和焊接變形的因素及控制措施摘要：本文主要探討了電站管道焊接過程中常見的焊接變形和焊接應力產(chǎn)生的主要因素，以及焊接變形和焊接應力的控制措施，希望對以后的焊接工作有一些幫助。

關(guān)鍵詞：焊接變形，焊接應力，熱循環(huán)，焊接工藝，控制

目前火力發(fā)電朝著大容量機組發(fā)展，來滿足日益增長的用電需求和達到節(jié)能減排的重要目標。而在火電建設事業(yè)中，焊接技術(shù)成了一個關(guān)鍵的課題。在施工過程中，由于焊接產(chǎn)生的焊接變形和殘余應力，嚴重影響著工程的質(zhì)量、安裝進度和使用性能。增大了電廠運行的安全隱患。因而，急需分析其產(chǎn)生的原因，并積極采用合理的方法予以控制。

焊接過程實際上是在焊件局部區(qū)域加熱后又冷卻凝固的熱循環(huán)過程，由于不均勻的溫度場，導致焊件不均勻的膨脹和收縮，從而使焊件內(nèi)部產(chǎn)生焊接應力并引起焊接變形。

焊接應力與變形對接頭的性能有著較大影響，使得焊件強度、韌性下降。因此將對焊接變形產(chǎn)生原因及其影響因素進行分析，針對不同的焊接施工過程特點，采取不同的措施進行處理，以達到降低或消除焊接變形的目的。

1、影響焊接變形的因素及控制措施

1.1焊縫截面積的影響

焊縫截面積越大，冷卻時收縮引起的塑性變形量越大，焊縫面積對縱向，橫向的影響趨勢是一致的，而且是主要的影響。因此，在壁厚相同時，坡口尺寸越大，收縮變形越大。

1.2焊接熱輸入的影響

一般情況下，熱輸入大時，加熱的高溫區(qū)范圍大，冷卻速度慢，使接頭塑性變形區(qū)增大。

1.3焊接方法和焊接工藝參數(shù)的影響

不同焊接方法引起的收縮量也不同。當焊件的厚度相同時，單層焊的縱向收縮比多層焊收縮大，這是因為多層焊時，先焊焊道冷卻后阻止了后焊焊道的收縮。焊接工藝參數(shù)的影響主要為線能量。一般規(guī)律是，隨著線能量的增加，壓縮塑性變形區(qū)擴大，因而收縮量增大。

1.4接頭形式的影響

在焊接熱輸入、焊縫截面積、焊接方法等因素條件相同時，不同的接頭形式對縱向、橫向變形量有不同的影響。在電站管道焊接中，接頭形式一般是對接接頭并且是單面焊雙面成型。對接接頭在單道焊的情況下，其焊縫橫向收縮比較大，在單面焊時坡口角度大，管壁上、下收縮量差別大，因而角變形較大。

1.5焊接層數(shù)的影響

1)橫向收縮：在對接接頭多層焊接時，第一層焊縫的橫向收縮符合對接焊的一般條件和變形規(guī)律。第一層以后相當于無間隙對接焊，接近于蓋面焊道，因此，收縮變形相對較小。2)縱向收縮：多層焊接時，每層焊縫的熱輸入比一次完成的單層焊時的熱輸入小得多，加熱范圍窄，冷卻快，產(chǎn)生的收縮變形小很多，而且前層焊縫焊成后都對下層焊縫形成約束。因此，多層焊時的縱向收縮變形比單層焊時小，而且焊的層數(shù)越多，縱向變形越小。

由于各種因素的綜合作用，焊接殘余變形的規(guī)律比較復雜，了解各因素單獨作用的影響便于對工程具體情況做具體分析。所以，了解焊接變形產(chǎn)生的原因和影響因素，則可以采取以下控制變形的措施：

1)減小焊縫截面積，在得到完整、無超標缺陷焊縫的前提下，盡可能采用較小的坡口尺寸。

2)厚壁管道焊接盡可能采用多層多道焊代替多層單道焊。

3)盡量采用小的線能量進行焊接。

4)采用剛性夾具固定法控制焊后變形。

5)在焊縫眾多的構(gòu)件組焊時或結(jié)構(gòu)安裝時，要采取合理的焊接順序。

6)設計上要盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸，合理布置焊縫，除了要避免焊縫密集以外，還應使焊縫位置盡可能靠近構(gòu)件的中和軸，并使焊縫的布置與構(gòu)件中和軸相對稱。

2、影響焊接應力的因素和控制焊接應力的措施

2.1焊接時溫度分布不均勻而引起焊接熱應力。

2.2焊接時溫度梯度變化過大引起組織變化產(chǎn)生組織應力。

2.3在一定的溫度及剛度條件下，使焊件在某一瞬時內(nèi)存在瞬時應力。

2.4焊件上的溫度分布不均勻，由于電弧的作用，焊件局部被加熱到熔化溫度，焊縫與母材之間形成了很大的溫度梯度。接頭的高溫區(qū)域要求伸長量大而受阻，形成了壓應力；而溫度較低的區(qū)域伸長量小的部分因抵抗高溫區(qū)的伸長，形成了拉應力。

2.5焊縫及臨近焊縫區(qū)在高溫時幾乎喪失了屈服強度，在應力作用下便會產(chǎn)生塑性變形，冷卻后焊件內(nèi)便形成了殘余應力。

2.6焊接變形的矯正費時費工，安裝企業(yè)首先考慮的是控制變形，往往對控制殘余應力較為忽視，常用一些卡具、支撐以增加剛性來控制變形，與此同時實際上增大了焊后的殘余應力。

焊件焊接時產(chǎn)生瞬時內(nèi)應力，焊接后產(chǎn)生殘余應力，并同時產(chǎn)生殘余變形，這是不可避免的現(xiàn)象。對于一些本身剛性較大的管件，如壁厚較大，截面本身的慣性矩較大時，雖然變形會較小，但卻同時產(chǎn)生較大的內(nèi)應力，甚至產(chǎn)生裂紋。因此，對于一些構(gòu)件截面厚大，拘束度大，鋼材強度級別高，使用條件惡劣的重要結(jié)構(gòu)要注意焊接應力的控制。控制應力的目標是降低其峰值使其均勻分布，有以下幾種控制措施：

1)減小焊縫尺寸：焊接內(nèi)應力由局部熱循環(huán)而引起，為此，在滿足設計要求的條件下，不應加大焊縫尺寸和層高，要轉(zhuǎn)變焊縫越大越安全的觀念。

2)減小焊接拘束度：拘束度越大，焊接應力越大，首先應盡量使焊縫在較小拘束度下焊接，盡可能不用剛性固定的方法控制變形，以免增大焊接拘束度。

3)采取合理的焊接順序：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。

4)降低焊件剛度，創(chuàng)造自由收縮的條件。

5)錘擊法減小焊接殘余應力：在每層焊道焊完后立即用圓頭敲渣小錘或電動錘擊工具均勻敲擊焊縫金屬，使其產(chǎn)生塑性延伸變形，并抵消焊縫冷卻后承受的局部拉應力。但根部焊道、坡口內(nèi)及蓋面層與母材坡口面相鄰的兩側(cè)焊道不宜錘擊，以免出現(xiàn)熔合線和近縫區(qū)的硬化或裂紋。高強度低合金鋼，如屈服強度級別大于345MPa時，也不宜用錘擊法消除焊接殘余應力。

3、結(jié)論

（1）焊接應力和焊接變形是不可避免的，只能采取有效的方法、措施來控制焊接變形和降低焊接應力。并對超出規(guī)程要求的焊接變形進行矯正，從而既滿足焊件強度和使用性能，又滿足經(jīng)濟性要求。

（2）只要了解焊接工藝，采用合理的焊接方法和控制措施，就能減少和消除焊后殘余應力和殘余變形。在實踐中不斷總結(jié)、積累焊接經(jīng)驗，綜合分析各種因素，采取相應的措施，焊接質(zhì)量就能得以保證。

參考文獻

[1]DL/T869-2012火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程.

[2]DL/T819-2010火力發(fā)電廠熱處理技術(shù)規(guī)程.

[3]DL/T752-2010火力發(fā)電廠異種鋼焊接技術(shù)規(guī)程.

[4]DL/T678-2013電站鋼結(jié)構(gòu)焊接通用技術(shù)條件.

[5]JB/3323-2017焊接材料質(zhì)量管理規(guī)程.

[6]DL/T868-2014焊接工