焊接过程中应力与变形控制

焊接过程中应力与变形控制
摘要焊接应力与变形是直接影响焊接结构性能、安全可靠性和制造工艺性的重要因素，了解其作用与影响，采取措施进行控制与消除，对于焊接结构的完整性设计和焊接工艺方法的选择以及产品在运行中的安全评定都有重大意义。

关键词焊接应力；焊接变形；规律；控制
焊接是一种特殊而又重要的加工工艺，随着焊接技术的发展，一个重要技术课题是控制焊接件的焊接变形以提高产品制造精度，使焊件焊后加工量减少或不加工即可用于精度要求高的机械产品中，因此，了解焊接应力产生机理，掌握结构件焊接变形规律，在焊接工艺中采取措施进行控制和消除，从而保证焊接质量。

1 焊接应力
1.1 焊接应力产生机理及影响因素
焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接应力与变形的决定因素，焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区融化，而与熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制，产生不均匀压缩塑性变形，在冷却过程中，已发生压缩变形的这部分材料又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，在不同程度上又被拉伸而卸载；与此同时，熔池凝固，金属冷却收缩也产生相应的收缩应力与变形，使得焊接接头区产生不协调的应变，称为初始应变或固有应变。

与此相对应，在构件中会形成自身相平衡的内应力，通常称为焊接应力；而焊后，在在室温条件下，残留于构件中的内应力场和宏观变形，称为焊接残余应力与焊接残余变形。

焊接应力与焊接材料（主要包含材料特性、热物理常数及力学性能）、焊接接头形状和尺寸、焊接工艺参数，焊接结构（结构形状、厚度及刚性）有关。

1.2 焊接应力的分类
1.2.1 接应力在焊件空间位置
一维空间应力沿着焊件—个方向作用；二维空间应力应力在—个平面内不同方向上作用；三维空间应力应力在空间所有方向上作。

1.2.2 按产生应力的原因
（1）热应力它是在焊接过程中，焊件内部温差所引起应力，随着温度的消失而消失，并且是引起热裂纹的力学原因。

（2）相变应力焊接过程中，局部金属发生相变，相比容增大或减小而引起的应力。

（3）塑变应力在焊接过程中，在近逢高温区的金属收到热胀冷缩受阻生产的塑性变形。

2 焊接变形
2.1 焊接变形特点
焊接是不均匀的加热过程，热源只集中在焊接部位，且以—定速度向前运动，局部受热膨胀金属能引起焊件在空间发生各种形态的变形，焊缝凝固和冷却发生收缩，变形是在焊接开始便产生，并随着焊接热源的移动和焊件上温度分布变化而变化。

焊接变形与焊件的形状尺寸、焊缝在工件的位置、焊缝的坡口形状、材料的热物理性能以及加热条件有关。

2.2 焊接变形的分类
焊接过程中随着时间而发生的变形称为焊接瞬间变形，工件焊完冷却后，焊件上残留的焊接变形为焊接残余变形，我们更注重焊接残余变形，它对焊件质量和使用性能产生影响。

一般焊接变形分为以下几种：
（1）横向收缩变形：垂直与焊缝方向的收缩。

（2）纵向收缩变形：焊接方向的收缩。

（3）弯曲变形：在板厚方向由于焊接温度分布不均匀，沿板厚方向或焊缝方向发生变形，一般有分为横向弯曲变形和纵向弯曲变形。

（4）波浪变形：在焊接薄板时由于焊接产生压缩残余应力，使板件因扭曲发生波浪变形。

（5）扭曲变形：焊接细长构件时，时构件绕自身轴线发生扭转。

3 焊接应力与变形规律
焊接应力与变形测算非常复杂，直接影响应力与变形的金属材料的力学性能与和热物理学性能随焊接温度场而变化，而焊接温度场由随焊接接头的形状、尺寸、焊接工艺参数等变化。

而每种焊接结构都有不同焊接应力与焊接变形，要掌握焊接结构的焊接应力与变形规律，应从简单焊缝分析人手。

3.1 平板对接直线焊缝上焊接应力与变形
平板对接直线焊缝上焊接应力一般存在纵向残余应力和横向残余应力，厚度方向的残余应力较小，只有厚板大坡口焊缝应力才有较高的数值。

一般钢材纵向残余应力在焊缝的中心线上，接近材料的屈服强度，而横向残余应力垂直于焊缝，
数值较小，通常焊缝中心截面上的横向应力两端为压应力，中间为拉应力。

但横向应力还与焊接速度、焊接方向有关。

3.2 圆筒环形焊缝的应力与变形
环形焊缝在圆筒上引起的应力及分布与简体的材料及刚度有关，沿圆周方向平行与环焊缝的应力，小于平板对接焊缝相应数值，这是因为焊缝发生径向收缩，从而使一部分应力释放，而垂直于焊缝方向的应力在简体内外表面分布是对称的。

环形焊缝在焊缝中心线会产生下凹变形，在焊缝稍远距离产生
上凸变形，不过幅值较小，这是因为环形焊缝在周长上缩短造成的壳体变形的特征。

在实际生产中，例如隔爆电机机座简体与法兰的焊接，一般轴向发生收缩变形约3mm左右，径向变形不大，因为环焊缝内外对称焊接。

焊接应力与变形是无法避免的，一般采取相应的措施，但是减少焊接变形措施可能将增大焊接残余应力，在焊接过程发生焊接变形，将在—定程度上减少焊接应力。

4 焊接应力与焊接变形的控制
焊接应力与变形存在对于焊接件承受静载荷能力、脆性断裂、疲劳强度、焊接件的刚度都有有害的影响，在生产必须进行控制和消除。

4.1 焊接应力控制和消除
4.1.1 在设计阶段应遵循的原则
尽量减少焊缝数量，采用合理的焊缝尺寸；避免焊缝密集交叉，保持较好的焊接操作可达性；采用焊缝小的接头形式，降低焊缝拘束度；避免焊缝几何不连续性和应力集中。

4.1.2 制造过程中工艺措施
采用线能量小工艺参数和焊接方法；选择合理的焊接顺序，调整焊接残余应力的分布。

先焊接收缩量大的焊缝和受力较大的焊缝；焊缝交叉时，先焊短焊缝，后焊直通长焊缝；锤击多层焊缝中间各层，降低焊接应力和拘束度；局部加热补偿焊缝收缩的变形。

4.1.3 焊后降低或消除焊接残余应力的方法
构件焊接后进行振动时效处理；构件焊接后进行整体高温退火或局部高温退火。

4.2 焊接变形的控制和消除
4.2.1 在设计阶段应遵循的原则
选择焊接工艺好的结构形式；设计合理的焊缝尺寸和形式；合理安排焊缝的布局和接头位置，筋尽可能减少焊缝的数量；
选用轧制型材、锻件、铸件和钣金成型件，构成最佳焊接结构。

4.2.2 制造阶段的工艺措施
（1）焊前预防措施，采取预变形法，提前给出合适焊接反变形量；采用刚性固定法，采用焊接夹具或刚性焊接胎具。

（2）焊接过程中变形控制措施：第一，优选焊接方法，采用能量密度高的热源；第二，采用合理焊接工艺参数，减少热输入；
第三，选择合理的焊接顺序。

（3）焊后矫正措施：
第一，静力加压矫直法，产生于焊接变形相反的塑性变形；第二，薄板焊缝滚压法；第三，锤击法，使材料延伸补偿焊接收缩；第四，加热法，预先将变形部位用刚性夹具复原到设计现状，利用热胀冷缩原理。

由于焊接应力和变形在焊接结构中分布相当复杂，因此在生产过程中，根据焊接构件实际情况，掌握焊接应力与变形规律，灵活运用，对于预防和消除焊接变形将会产生积极作用。

参考文献：
[1]焊接手册第3卷，焊接结构/中国机械工程学会焊接学会编.北京：机械业出版杜，2001.8.
[2]焊接工程师手册/陈祝年.北京：机械工业出版社，2002.1.。