焊接变形和应力的分析

浅谈焊接变形和应力的分析与处理方法摘要：焊缝是由工件金属和焊芯金属构成的，在焊接过程中是一个局部加热的过程，总是要产生焊接变形和应力，焊接变形和应力直接影响结构的制造质量和使用性能，应力的存在有可能导致产生裂纹，而变形则影响结构的形状和尺寸误差，因此我研究理解焊接变形和应力产生的原因、种类、基本规律和影响因素，以便控制和防止一旦发生过大焊接变形和应力后，能设法减少或消除。

关键词：焊接变形；焊接应力；焊后热处理；接头组织；
一、焊接变形和应力产生的原因
焊缝是在自然状态下结晶的，属铸造类型组织，它与基本是扎制状态的工件是不相同的，进缝区的金属在焊接热的作用下也会发生组织变化，像经过了一次热处理一样。

在焊接过程中，焊件中产生的随时间而变化的变形和内应力分别称为瞬时变形和焊接瞬时应力，焊后焊件温度冷却至室温时留存于焊件中的变形和应力分别称为焊接残余变形和焊接残余应力。

而焊接接头局部区域的加热和冷却是很不均匀的，局部区域内的各部分金属又处于从液态到塑性状态在到弹性状态的不同状态，并随热源的变化而变化，这就是产生焊接应力和变形的根本原因。

下面我将分析一下焊缝的化学成分和组织。

二、焊缝的化学成分及焊接接头的金相组织
焊缝的化学成分可以由焊缝中工件金属、焊芯金属所占的比例他们的成分来定，但是对于用药皮焊条的手工电弧焊，电弧气体和起保
护作用的焊渣对焊缝成分有很大影响对焊接质量影响较大的气体有氧化性气体(氧气、二氧化碳)、氮和氢等，它们会烧损合金元素，阻碍焊接过程，产生气孔、夹杂，降低焊缝性能，所以我们要采取措施减少这些气体。

对于解决氧化问题的饿措施可以对于氧化问题突出的金属材料最好采
用氩弧焊，焊接一般钢材时可以采用药皮手工电弧焊，此时除电弧气体和溶渣进行保护并注意操作因素外，还要进行脱氧或消除氧化物带来的危害；氮一旦侵入焊缝就很难消除，控制氮的措施主要是选用能严密隔绝空气的焊接方法，手工电弧焊还可以采取控制焊接规范、控制焊丝成分等方法；对于减少接头含氢量的措施是控制焊接区水分、冶金处理、控制焊接规范、焊后脱氢处理等。

所以我们有必要对焊缝成分进行调整，调整的基础是工件的成分，调整的要求是保持原成分或者要增加、减少某些元素的含量。

我们可以用烧损和稀释的方法来减少某些元素的含量，也可有意识增加某元素为渗合金或合金话。

焊接接头的金相组织：焊接接头是焊缝、融合区、和热影响区的总称。

根据焊件的成分、热处理规律和原始状态，结合接头内各点的热过程特征就可以得到接头的金相组织。

焊缝金属由融池的液态金属凝固而成，融池金属由高温冷却到常温，一般要经过两次组织变化(第一次结晶和第二次结晶)。

从液态转变为固态(奥氏体)时的凝固结晶程为第一次。

当焊缝金属温度低于相变温度时发生的组织转变(由奥
氏体转变为铁素体和珠光体)为第二次结晶。

三、焊接变形和应力的种类·(包括焊接缺陷)
我们在了解了焊缝的组织成分之后就可以推出焊接变形和应力的种类包括焊接缺陷。

焊接变形包括：纵向收缩变形和横向收缩变形；横向弯曲变形（角变形）；旋转变形；波浪变形；扭曲变形，纵向弯曲变形，既然存在这些变形我们就要控制。

影响焊接变形的因素有焊缝位置的影响、结构刚性的影响，装配焊接程序的影响、焊缝长度和坡口型式的影响、焊接规范和方法的影响、焊接操作方法的饿影响、材料线胀系数的影响。

为此我们可以采用合理的设计、采用必要的工艺措施(如预留收缩余量、反变形法、选择合理的焊接方法和规范、合理的装配焊接次序、刚性固定法、热调整法)来控制焊接变形的存在或尽量减少焊接变形。

焊接应力包括：热应力、拘束应力、相变应力、氢致集中应力、焊接残余应力。

这些应力的存在对结构强度与受压件稳定性、构件脆性断裂、疲劳强度、焊件加工精度和尺寸稳定性、庳力腐蚀都有影响。

所以我们必须减少和消除焊接应力，可以从设计、工艺及焊后处理三方面入手。

设计方面：焊缝布置应尽量分散并避免交叉、避免在断面剧烈过度区设置焊缝、改进结构设计；工艺方面：采取合理的焊接顺序、采取合理的施焊方法、采取焊前预热、锤击焊缝；焊后处：采取焊后热处理、机械拉伸法等都可以减少焊接应力的存在。

在控制焊接变形和应力时我们必须严格控制焊接条件，如果焊接条件不当会引起
各种焊接缺陷，有焊缝外部缺陷、焊缝内部缺陷、焊缝裂纹。

焊缝外部缺陷主要表现在焊缝尺寸不符合要求、咬边、弧坑、焊瘤等；焊缝内部缺陷有气孔、裂纹、夹渣、未焊透、未融合等；焊接裂纹有热裂纹、冷裂纹、再热裂纹。

所以我们在焊接和控制焊接变形与应力时要引起注意。

四、消除和减小变形的措施
在了解了焊接应力和变形产生原因以及种类后，我们就应该从各个方面去控制，避免焊接变形和应力的存在和扩大，下面我将从工艺上和设计上阐述如何消除和减少焊接变形的措施。

1、减少焊接应力与变形的工艺措施主要有：
1）预留收缩变形量
根据理论计算和实践经验，在焊件备料及加工时预先考虑收缩余量，以便焊后工件达到所要求的形状、尺寸。

2）反变形法
根据理论计算和实践经验，预先估计结构焊焊接件变形的方向和大小，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。

3）刚性固定法
焊接时将焊件加以刚性固定，焊后待焊件冷却到室温后再去掉刚性固定，可有效防止角变形和波浪变形。

此方法会增大焊接应力，只适用于塑性较好的低碳钢结构。

4）选择合理的焊接顺序
尽量使焊缝自由收缩。

焊接焊缝较多的结构件时，应先焊错开的短焊缝，再焊直通长焊缝，以防在焊缝交接处产生裂纹。

如果焊缝较长，可采用逐步退焊法和跳焊法，使温度分布较均匀，从而减少了焊接应力和变形合理的装配和焊接顺序。

具体如下：
a.先焊收缩量大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；
b.焊缝较长的焊件可以采用分中对称焊法、跳焊法，分段逐步退焊法。

交替焊法；
c.焊件焊接时要先将所焊接的焊缝都点固后，再统一焊接。

能够提高焊接焊件的刚度，点焊固定后在进行焊接，其将增加焊接结构的刚度的部件先焊，使结构具有抵抗变形的足够刚度；
d.具有对称焊缝的焊件最好成双的对称焊接使各焊道引起的变形
相互抵消；
e. 焊件焊缝不对称时要先焊接焊缝少的一侧。

f.采用对称与中和轴的焊接和由中间向两侧焊接都有利于抵抗焊
接变形。

g.在焊接结构中，当钢板拼接时，同时存在着横向的端接焊缝和纵向的边接焊缝。

应该先焊接端接焊缝再焊接边接焊缝。

h.在焊接箱体时，同时存在着对接和角接焊缝时，首先尽量焊接对接焊缝，然后焊接角焊缝。

i.十字接头和丁字接头焊接时，应该正确采取焊接顺序，避免焊接应力集中，以保证焊缝获得良好的焊接质量。

对称与中轴的焊缝，应由内向外进行对称焊接。

j.焊接操作时，减少焊接时的热输入，（如：降低电流、加快焊接速度、）。

k.焊接操作时，减少熔敷金属量（焊接时采用小坡口、减少焊缝宽度、焊接角焊时减少焊缝尺寸）。

l.逐步退焊法，常用于较短裂纹的焊缝。

施焊前把焊缝分成适当的小段，标明次序，进行后退焊补。

焊缝边缘区段的焊补，从裂纹的终端向中心方向进行，其它各区段接首尾相接的方法进行
5) 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。

6) 加热“减应区”法
a. 焊接前，在焊接部位附近区域(称减应区)进行加热使之伸长，焊后冷却时，与焊缝一起收缩，可有效减小焊接应力和变形。

b. 焊接后，在焊接部位附近区域进行加热，同样可减少焊接应力和变形。

7)焊前预热和焊后缓冷预热的目的是减少焊缝区与焊件其他部分的温差，降低焊缝区的冷却速度，使焊件能较均匀地冷却下来，从而减少焊接应力与变形。

在温差相较不大的情况下可称为冷焊。

8) 合理的焊接工艺方法，采用焊接热源比较集中的焊接方法进行焊接可降低焊接变形。

如CO2气体保护焊，埋弧焊等
3 减少焊接应力与变形的从设计方面的措施主要有
1)选用合理的焊缝尺寸和形状，在保证构件的承载能力的条件下，应尽量采用较小的焊缝尺寸；
2) 减少焊缝的数量，在满足质量要求的前提下，尽可能的减少焊缝的数量
3)合理安排焊缝的位置，只要结构上允许应该尽可能使焊缝对称于焊件截面的中和轴或者靠近中和轴；
4焊后热处理
在了解了焊接的各种变形和各种应力及基本的控制方法后，我们为了整体消除焊接结构过程和成型过程中的残余应力、稳定结构形状和尺寸以及改善母材和焊接接头的性能，往往需要进行焊后热处理。

焊后热处理是将其加热到400℃以上，Acl以下的某一温度,保持并均匀冷却的过程，实际上消除应力退火处理不仅可以消除大部分焊接残余应力，而且在该工艺条件下，对去氢和软化组织、提高塑性韧性和
防止焊接裂纹等均有良好的效果
总结：1)焊接后总是存在焊接变形和焊接应力，他们的存在影响了焊件的使用性能，甚至导致不能使用。

通过分析研究焊接变形和应力的产生原因及焊缝的结构组成，对我们进一步研究控制措施提供了依据。

2)既然存在焊接变形和和焊接应力，我们就应该设法消除或减少，尽量提高焊接后的使用性能，此次研究提供了一些如何改善和控制处理的方法。

参考文献： 1)焊接与化机焊接结构王宽福冯丽云浙江大学出版社
2)焊接热处理化学工业出版社
3)焊工手册中国机械工程学会焊接学会机械工业出版社。