试述如何控制焊接变形和焊接应力

试述如何控制焊接变形和焊接应力

曲平先 ,万思蛟 ,仲积峰

中车青岛四方机车车辆股份有限公司  山东省青岛市   266000

摘要：在中国制造向中国创造发展过程中，焊接已经从传统热加工技术得到创新与改革，逐渐发展为集冶金、材料、结构、电子机械等多门科学为一体的综合性工程工艺类学科，在工艺制造加工、建筑建设施工、设备安装等众多领域得到广泛应用。因此，就构件加工中的焊而言，焊接质量的好坏对整个构建加工质量、构建精密度存在直接影响。而焊接质量的好坏主要体现在焊接应力与焊接变形上。对此，加强焊接应力与焊接变形的研究，实现焊接应力与焊接变形的科学管控，势在必行。基于此，本文将对如何控制焊接变形和焊接应力进行分析。

关键词：焊接应力；焊接变形；控制措施

1 影响焊接应力与焊接变形的因素

(1)焊缝横截面积：焊缝横截面积主要是对焊件在焊接过程中，其熔合线范围内金属面积的统称。通常情况下，焊缝面积越大其所形成的焊接残余应力也就越大，主要原因在于焊缝金属在受热后由固态变为液体，在冷却后由液态转化为固态时，体积进行收缩，加之焊缝金属与母材之间存在密切关联性，对此将导致焊缝残余应力与变形问题的产生。由于焊缝横街面积对纵向变形、横向变形、角变形存在的影响相同，因此在板厚相同时，收缩变形与板坡口尺寸存在密切关联性。

(2)焊接方法：通常情况下，所选用的焊接方法不同，在焊接过程中所需要的焊接热量也不同，对此基于不均匀温度场作用，所形成的焊接变形也不同。

(3)焊接热量输入情况：在焊接过程中，当输入的热量过大时，其加热高温区范围也就越大，所需要冷却的时间也就越大，产生焊接应力与变形的机率也就越大，焊接头的塑性变形区域可能就越大。

(4)焊接层数：通常情况下，多层多道焊接产生的焊接头变形要小于单层焊接。主要原因在于：多层多到焊接的单层热输入量要小于一次单层焊接的热输入量，所需加热的范围要小，因此冷却速度相对较快，所产生的收缩变形相应要小，且上一层的焊道会对下一层带来一定的约束作用，进一步减小焊缝变形。

(5)焊缝接头形式：在焊接过程中，当焊缝截面积、热量输入情况等相一致时，不同的接头形式对焊缝变形的影响也不同。就表面堆焊而言，堆焊过程中焊缝金属的横向变形相对较小，原因在于：加热仅存在于焊缝金属表面，焊缝横向收缩过程中会受到板厚、母材等的约束，从而所产生的横向变形相对要小；就对接接头而言，在单焊过程中，由于坡口角度相对较大，在焊接过程中板厚上层收缩量与下层收缩量也存在差异性，对此其所产生的横向收缩变形要大于比堆焊所产生的横向收缩变形。

2 控制焊接变形和焊接应力的对策

2.1 焊接前的热处理。

如果焊接构件在焊接前后温差较大则会产生较大的焊接残余应力，在焊接前对焊接构件进行焊前预热就能减少焊接构件焊接前后的温差以及能减慢焊接构件的冷却速率，这样就能很好并且有效的减小焊接残余应力。对于焊前预热的另外一种形式为预热预拉伸补偿法，原理为对于一些焊接构件有可能阻碍焊接区域内可以自由伸缩的部位，使用预加热或机械的方式方法，使得焊接构件焊接区域同时拉伸或者同时收缩，减少焊接构件内部产生的焊接内应力。

2.2 焊材的选择方法

对于焊接高强度低合金钢（如Q460钢材）构件，必须使用焊材塑性较好的焊条进行构件的焊接，原因为当焊接构件的焊缝在采用塑性良好的焊材进行填充焊接后，有着良好的塑性形变，让焊接构件时产生的焊接内应力通过焊缝的塑性形变得以释放，减少焊接构件的焊接应力。焊接构件在高温焊接时会产生“氢脆”的现象，消氢的意义在于控制焊接构件热区域内焊材内部的氢元素的含量，让焊缝内部的氢元素溢出，预防氢元素导致的集中应力产生，杜绝氢元素导致的冷裂纹的产生，方法为可使用低氢型焊材和在焊接结束后对焊接构件采取消氢处理。在进行消氢处理时，加热温度通常情况下控制在300至350摄氏度之间，保温时间一般控制在2至4个小时左右，然后再进行冷却。

2.3 焊后热处理

即对焊接构件采取高温回火的热处理方法，消除焊机构件内部的残余内应力，具体原理为利用钢材在高温条件下其屈服强度极限会降低，让焊件内部焊接内应力高区域发生塑性流动，弹性变形逐渐减少，塑性变形逐渐增加，使焊接内应力发生降低。方法为将焊接构件放在热处理炉内加热到一定温度并且保温一段时间。焊后热处理的温度与保温时间对焊接的金属抗拉强度、蠕变极限有着较高的影响。但钢种对焊材焊缝金属冲击韧性有着较高的影响。

2.4 消除焊接残余应力

可以用振动的方法来消除焊接残余应力，原理是如果焊接构件承受变载荷应力达到一定数值，经过多次振动后，就会让焊接结构中的残余应力降低，可以消除部分焊接残余应力。此方法适用于一般的大型焊件。振动法的优点是绿色环保、设备结构简单、使用成本低、操作时间短。

2.5 减小焊缝截面积

在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下，尽可能采用较小的坡口尺寸(角度和间隙)。对屈服强度345MPa以下，淬硬性不强的钢材采用较小的热输入，尽可能不预热或适当降低预热、层间温度；优先采用热输入较小的焊接方法，如CO2气体保护焊。厚板焊接时尽可能采用多层焊代替单层焊。在满足设计要求情况下，纵向加强肋和横向加强肋的焊接方法可采用间断焊接法。双面均可焊接操作时，要采用双面对称坡口，并在多层焊接时采用与构件中和轴对称的焊接顺序。T形接头板厚较大时采用开坡口角对接焊缝。采用焊前反变形方法控制焊后的角变形。采用刚性夹具固定法控制焊后变形。采用构件预留长度法补偿焊缝纵向收缩变形，如H形纵向焊缝每米长可预留0.5mm～0.7mm。对于长构件的扭曲，主要靠提高板材平整度和构件组装精度，使坡口角度和间隙准确，电弧的指向或对中准确，以使焊缝角度变形和翼板及腹板纵向变形值与构件长度方向一致。在焊缝众多的构件组焊时或结构安装时，要采取合理的焊接顺序。

3 自动化焊接技术的发展及趋势

目前我国的焊接自动化普及率还不到35%，但是制造发达的国家自动化普及率已达80%，由此可见我国与发达国家的还有很大的差距。我国国情导致我国在这方面的技术相对落后直至从20世纪50年代才开始以研制自动化设备。20世纪90年代，随着科学技术成果的转化和我国自动化的时代的到来，各种自动化和半自动化的焊接机，逐步代替了传统的手工焊接。到了近几年制造4.0的时代到来，智能科技的飞速发展，解决了自动焊接中的一些问题，改变了一直以来依靠国外进口设备的情况，目前像压力容器、无缝钢管等都采用了自动焊接技术，制造行业上都发展了自动化程度不同的生产线。发展趋势①焊接电源的稳定性；②研发焊接新材料；③发展新的焊接技术；④远程操作；⑤智能控制；⑥柔性制造系统；⑦自动化控制系统的集成化。

4 结束语

综上所述，便是对钢结构焊接变形和焊接应力控制分析的讨论。面对高速发展制造业，新的钢结构控制模式可以更加高效地完成钢产品的制造，同时在原有的基础上增强钢结构相对应的强度和刚度，并且大幅度地提升其稳定性和安全性，延长产品的使用寿命，也就减少了裂缝的缺陷，逐步推动我国制造行业向着精细化的方向发展。

参考文献：

[1]张冰冰,陶李.大型箱体结构件的焊接变形控制研究[J].锻压装备与制造技术,2022,57(04):125-127.DOI:10.16316/j.issn.1672-0121.2022.04.032.

[2]蒲江涌,胡新,秦雪飞,何俊杰,金鑫,赵树理.工程机械大型结构件焊接变形的原因及控制方法探讨[J].中国设备工程,2022(12):128-130.

[3]狄朋卫,范宇.大型水轮机座环焊接变形分析及对策研究[J].云南水力发电,2022,38(S1):55-57.