焊接应力变形的产生原因与控制措施

焊接应力变形的产生原因与控制措施

无锡威孚力达催化净化器有限责任公司王习宇[摘要] 近年来，汽车行业发展迅猛，各主机厂在提升产量的同时，对于产品质量的要求也大幅提高。为应对巨大的市场冲击，我们威孚力达应采取相应措施，来迎接机遇和挑战。目前我司焊接向着自动化、集成化、高精度、高质量的方向发展，如何采取措施减小金属构件在焊接工序中发生的应力与应变，从而提高焊接工序的精度以及产品的总体质量，有着十分重要的现实意义。本文主要叙述了焊接应力变形与控制方法。

[关键词] 威孚力达焊接变形焊接应力产生原因控制措施

国内现状

随着我国汽车产业的高速发展，焊接技术在汽车工程中得到大量的应用，焊接工件尤其是法兰焊接变形也成为人们密切关注的焦点。在焊接过程中，焊接残余应力和焊接变形会严重影响制造过程、焊接结构的使用性能、焊接接头的抗脆断能力、疲惫强度、抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂能力。焊接变形在制造过程中也会危及外形与公差尺寸，使制造过程更加困难，当出现题目时还需采取一些费时耗资的附加工序来进行弥补，不仅增加本钱，还可能出现由此工序带来的其他不利因素。因此，要得到高质量的焊接结构必须对这些现象严格控制。焊接应力分析熔化焊接时，被焊金属在热源作用下发生局部加热和熔化，材料的力学性能也会发生明显的变化，而焊接热过程也直接决定了焊缝和热影响区焊后的显微组织、残余应力与变形大小，所以焊接热过程的正确计算和测定是焊接应力和变形分析的条件。因此在焊接过程的模拟研究中，只考虑温度场对应力场的影响，而忽略应力场对温度场的作用。同时，非线性、瞬时作用以及温度相关性效应等也会妨碍正确描述在各种情况下产生的残余应力，并使同一系统化的工作很难完成。为使其简单化，实际中常用焊接性的概念作为一种分类系统，将焊接分解为热力学、力学和显微结构等过程，从而降低了焊接性各种现象的复杂性。图1所示的工艺基础将焊接性分解为温度场、应力和变形场以及显微组织状态场。这种分解针对焊接残余应力和焊接变形的数值分析处理很有价值。在狭义上，焊接性又可理解成所要求的强度性能。影响强度性能的主要因素又包括化学成分、相变显微组织、焊接温度循环、焊后热处理、构件外形、负载条件以及氢含量等。显微组织的转变不仅决定于材料的化学成分，也决定于其受热过程（特别是与焊接有关的过程），特别是它在焊接接头的热影响区和熔化区的影响更加引人留意。

在焊接过程中，由于焊件局部的温度发生变化，产生应力变形。进而导致了构件产生变形。因此，通过对焊接结构及焊接变形的分析，通过对焊接工艺焊件结构设计等方面采取有效措施，从而提高焊接质量。

一、焊接应力与焊接变形的产生原因

焊接应力，是焊接构件由于焊接而产生的应力。焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的形状和尺寸变化。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。焊接应力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观，因此是设计和制造中必须考虑的问题。

图1 MIG/MAG焊示意图

1.1焊件的不均匀受热

（1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形。冷却后，构件就会有残余应力。

（2）焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反。

（3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。

（4）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布是不均匀的。焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力

1.2焊缝金属的收缩

焊缝金属冷却时，当它由液态转为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的。因此，焊缝金属并不能自由收缩，这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中引起残余应力。另外，一条焊缝是逐步形成的，焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩，由此也会产生焊接应力与变形。

1.3金属组织的变化

金属在加热及冷却过程中发生相变，可得到不同的组织，这些组织的比容不同，由此也会造成焊缝应力与变形。

1.4焊缝的刚性和拘束

焊缝的刚性和拘束，对焊件应力和变形也有较大的影响。刚性是指焊件抵抗变形的能力。而拘束是焊件周围物体对焊件变形的约束。刚性是焊件本身的性能，它与焊件材质，焊件截面形状和尺寸有关，而拘束是一种外部条件，焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大，而焊接应力越小。

焊接变形的控制措施及消除方法

二、控制焊接应力与变形的措施

焊接以后留下一定的残余应力是不可避免的，但是可以通过恰当的工艺措施给予一定程度的控制。使之危害尽可能减小。

控制内应力的方法有多种，但其基本原则只有一个，就是缓和对焊缝收缩的制约，通常采用的工艺措施有：

2.1 采用合理的焊接次序。是尽量使焊缝能比较自由的收缩，尤其是对那些收缩比较大，残余应力比较大的焊缝。

2.2 预热法。由于被焊工件各部位的温差越大，焊缝的冷却速度越快。则焊接接头的残余应力就越大。预热既能减小工件各部位的温差，又能减缓冷却速度。它是降低焊接残余应力的有力措施之一。

2.3 消除焊接应力的方法，消除焊接应力的方法有：热处理法、机械法和振动法。

2.3.1热处理方法包括：整体热处理和局部热处理。将整个构件放在炉中加热到一定温度，然后保温一段时间再冷却。通过整体高温回火可以将构件中80%--90%的残余应力消除掉，这是生产中应用最广泛、效果最好的一种消除残余应力的方法。

2.3.2机械法，锤击焊缝法在焊缝的冷却过程中，用圆头小锤均匀迅速地锤击焊缝，使金属产生塑性延伸变形，抵消一部分焊接收缩变形，从而减小焊接应力和变形。

2.3.3振动法，构件承受变载荷应力达到一定数值，经过多次循环加载后，结构中的残余应力逐渐降低，即利用振动的方法可以消除部分焊接残余应力。振动法的优点是设备简单、成本低。时间比较短，没有高温回火时的氧化问题，已在生产上得到一定应用。

三、矫正焊接变形的方法，

当前矫正焊接变形的方法有两种：一是机械矫正法即根据理论计算和实践经验，预先估计结构焊接变形的方向和大小，然后在焊接装配时给予一个方向相反、大小相等的预置变形，以抵消焊后产生的变形；二是火焰矫正法即通过火焰局部加热方法来造成塑性变形已达到矫正的目的。

四、新型焊接技术CMT焊接——降低热输入

由于CMT 焊接方法具有更快的焊接速度，更好的搭桥能力，更小的变形，更均匀一致的焊缝，并且无飞溅等优点，拓展了普通MIG/MAG 焊所不能涉及的领域。其主要用用领域体现在：

目前CMT 技术广泛应用于汽车、家电、航空航天等行业。在工程机械行业，焊接以结构件中厚板和薄板件的焊接为主。结构件焊接追求高焊接效率，对焊接变形要求一般，通常以MAG 焊和CO2气保焊为主。薄板件的焊接，如驾驶室、邮箱、覆盖件等，逐渐摒弃以往的气体保护焊，转向汽车行业薄板件的加工模式，以冲压成型、电阻电焊为主，但是弧焊的工作量依然很大。在变形要求小、连接强度要求高、异种金属的焊接场合，CMT 焊接工艺还是具有广阔的应用前景。CMT 技术焊缝成形美观，无飞溅对于薄板焊接也是很适合的。比如CMT 的无飞溅焊接可以尝试在油箱上应用，以提高油箱的清洁度。此外，工程机械行业还存在部分齿轮件的焊接，焊接变形要求高，采用CMT 焊接工艺是一个相对经济的选择。总的来说，在工程机械行业，CMT 焊接技术可以在薄板件和齿轮件的焊接上进行广泛的推广和应用。