影響焊接應(yīng)力和焊接變形的因素及控制措施

影響焊接應(yīng)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(guò)程中常見(jiàn)的焊接變形和焊接應(yīng)力產(chǎn)生的主要因素，以及焊接變形和焊接應(yīng)力的控制措施，希望對(duì)以后的焊接工作有一些幫助。

關(guān)鍵詞：焊接變形，焊接應(yīng)力，熱循環(huán)，焊接工藝，控制

目前火力發(fā)電朝著大容量機(jī)組發(fā)展，來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的用電需求和達(dá)到節(jié)能減排的重要目標(biāo)。而在火電建設(shè)事業(yè)中，焊接技術(shù)成了一個(gè)關(guān)鍵的課題。在施工過(guò)程中，由于焊接產(chǎn)生的焊接變形和殘余應(yīng)力，嚴(yán)重影響著工程的質(zhì)量、安裝進(jìn)度和使用性能。增大了電廠運(yùn)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(guò)程實(shí)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(guò)程，由于不均勻的溫度場(chǎng)，導(dǎo)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(yīng)力并引起焊接變形。

焊接應(yīng)力與變形對(duì)接頭的性能有著較大影響，使得焊件強(qiáng)度、韌性下降。因此將對(duì)焊接變形產(chǎn)生原因及其影響因素進(jìn)行分析，針對(duì)不同的焊接施工過(guò)程特點(diǎn)，采取不同的措施進(jìn)行處理，以達(dá)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(shí)收縮引起的塑性變形量越大，焊縫面積對(duì)縱向，橫向的影響趨勢(shì)是一致的，而且是主要的影響。因此，在壁厚相同時(shí)，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(shí)，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(dāng)焊件的厚度相同時(shí)，單層焊的縱向收縮比多層焊收縮大，這是因?yàn)槎鄬雍笗r(shí)，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(kuò)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(shí)，不同的接頭形式對(duì)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(duì)接接頭并且是單面焊雙面成型。對(duì)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(shí)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(duì)接接頭多層焊接時(shí)，第一層焊縫的橫向收縮符合對(duì)接焊的一般條件和變形規(guī)律。第一層以后相當(dāng)于無(wú)間隙對(duì)接焊，接近于蓋面焊道，因此，收縮變形相對(duì)較小。2)縱向收縮：多層焊接時(shí)，每層焊縫的熱輸入比一次完成的單層焊時(shí)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(duì)下層焊縫形成約束。因此，多層焊時(shí)的縱向收縮變形比單層焊時(shí)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(fù)雜，了解各因素單獨(dú)作用的影響便于對(duì)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(wú)超標(biāo)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(jìn)行焊接。

4)采用剛性?shī)A具固定法控制焊后變形。

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

6)設(shè)計(jì)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(yīng)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(duì)稱。

2、影響焊接應(yīng)力的因素和控制焊接應(yīng)力的措施

2.1焊接時(shí)溫度分布不均勻而引起焊接熱應(yīng)力。

2.2焊接時(shí)溫度梯度變化過(guò)大引起組織變化產(chǎn)生組織應(yīng)力。

2.3在一定的溫度及剛度條件下，使焊件在某一瞬時(shí)內(nèi)存在瞬時(shí)應(yīng)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(zhǎng)量大而受阻，形成了壓應(yīng)力；而溫度較低的區(qū)域伸長(zhǎng)量小的部分因抵抗高溫區(qū)的伸長(zhǎng)，形成了拉應(yīng)力。

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

2.6焊接變形的矯正費(fèi)時(shí)費(fèi)工，安裝企業(yè)首先考慮的是控制變形，往往對(duì)控制殘余應(yīng)力較為忽視，常用一些卡具、支撐以增加剛性來(lái)控制變形，與此同時(shí)實(shí)際上增大了焊后的殘余應(yīng)力。

焊件焊接時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)內(nèi)應(yīng)力，焊接后產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并同時(shí)產(chǎn)生殘余變形，這是不可避免的現(xiàn)象。對(duì)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(shí)，雖然變形會(huì)較小，但卻同時(shí)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，甚至產(chǎn)生裂紋。因此，對(duì)于一些構(gòu)件截面厚大，拘束度大，鋼材強(qiáng)度級(jí)別高，使用條件惡劣的重要結(jié)構(gòu)要注意焊接應(yīng)力的控制?？刂茟?yīng)力的目標(biāo)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(yīng)力由局部熱循環(huán)而引起，為此，在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下，不應(yīng)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(yīng)力越大，首先應(yīng)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(yīng)力：在每層焊道焊完后立即用圓頭敲渣小錘或電動(dòng)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(yīng)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(qiáng)度低合金鋼，如屈服強(qiáng)度級(jí)別大于345MPa時(shí)，也不宜用錘擊法消除焊接殘余應(yīng)力。

3、結(jié)論

（1）焊接應(yīng)力和焊接變形是不可避免的，只能采取有效的方法、措施來(lái)控制焊接變形和降低焊接應(yīng)力。并對(duì)超出規(guī)程要求的焊接變形進(jìn)行矯正，從而既滿足焊件強(qiáng)度和使用性能，又滿足經(jīng)濟(jì)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(yīng)力和殘余變形。在實(shí)踐中不斷總結(jié)、積累焊接經(jīng)驗(yàn)，綜合分析各種因素，采取相應(yīng)的措施，焊接質(zhì)量就能得以保證。

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