减少焊接应力与变形的工艺措施的分析与探讨

戚建伟

（华电曹妃甸重工装备有限公司，河北 唐山 063200）

减少焊接应力与变形的工艺措施的分析与探讨

戚建伟

（华电曹妃甸重工装备有限公司，河北 唐山 063200）

本文主要介绍了焊接过程中钢结构产生焊接应力以及发生变形的原因，也规划了防止构件变形的基本工艺措施和焊接过程中的注意事项。

焊接应力；变形；工艺措施

在我们的工艺生产过程中，我们时常会碰到工业零件在焊接后会变形甚至构件内部产生焊接残余应力。在焊接过程中构件承担外在力量时，外载应力和焊接应力会相互叠加从而会使某部位的承受压力超出承受范围之内，导致构件发生新的塑性变形，若塑性变形过大的话将会影响构件的使用，构件也会生成细小裂纹。要确保焊接质量必须降低、减小焊接过程中的应力与塑性变形。

1 产生焊接变形及焊接应力的原因

当构件在焊接的时候已经开始发生变形而且会随着焊件上的温度波动和热源的移动而变化。在通常情况下，任意一条焊缝在焊接过程中都会发生受热膨胀，尤其在高温地区金属在热胀冷缩时将会产生塑性变形，先焊接部位会先开始冷却、凝固，然而膨胀和收缩却是在这条焊缝的不同部位产生，这种情况会持续到温度恢复到室温的时候热变形才会停止。焊接时焊接变形的存在因素有：金属局部产生伸缩与收缩变形后所产生的内应力、构件内部由于温度变化而产生的应力、内部与外部在冷却时的不同步调以及局部相变等。

由于焊件受到自身的约束，在焊接过程中便会制止受热区的膨胀，所以会因为不能自由的热胀冷缩而变形，当冷却时，焊件便会产生残余变形、弯曲和残余应力。因为它标志着一个产品的质量和使用性能，所以许多的焊件结构破坏事故都是焊接产生的应力造成焊后残余塑性变形而引起的。焊接应力和塑性变形是由于焊接过程中受热不均匀产生的，而热裂纹产生的物理原因是热应力。另外，受到约束的平板在自然状态下会对焊缝的横向残余应力产生纵向压缩。

焊缝长度影响纵向收缩、引起横向残余应力的分布。在焊接时温度场上的部分受热区金属会加快膨胀，相反，冷却区的金属便会慢慢收缩，所以也产生了制约彼此的应力：随着温度场的不断前移，那些原先受到膨胀的金属便会在冷却过程过程中收缩，而它此时的收缩却会受到比它先冷却的金属的牵制，从而大部分应力便会传递给相邻的金属给之施加压力，但是它也会受到正在膨胀的金属的推力。可以看出，先冷却的金属总是产生拉力，从而造成膨胀的被压缩而收缩的被拉伸。焊接方向和顺序会对焊后沿整条焊缝轴线的纵截面上内应力保持平衡而形成的横向应力的分布产生影响。横向残余应力的分布在焊接时由两端向中心或者由中心向两端是完全不同的。但是在焊接的终点处的拉力是相同的[1]。

在焊接接头中会有三个方向的拉伸残余应力，因为在厚度方向上的两处开坡口是不对称的，会有J/V这两种形式的开坡口，又因为接头处厚度方向上的应力分布是不均匀的，所以J形坡口的焊缝拉力远大于另一边的拉力。因此这种焊接接头时，构件焊缝厚度方向会出现比较大的不对称的拉伸应力是因为受到周围的金属的制约。为了保证在施焊过程中的方便、减少填充金属使用量、降低坡口加工费用和减少焊接变形、预防裂纹的产生、减少焊接金属中的原材料的比例，我们需要在接口处开J/V形焊缝接口形式，达到方便的送进焊条。因为原材料在熔入第一层焊缝金属的比例达到25%左右，我们应在第一层焊缝焊接时采用微小电流、缓慢的焊接速度从而达到减少原材料的熔融[2]。

2 焊接时应注意事项

2.1 焊前准备

在施焊前，清洁坡口及其原材料两侧表面各30mm范围内的一些氧化物、油渍、水分及其他有害杂质。焊条必须烘干，烘干温度要高达400℃，烘焙时间达到1 h，烘干即用。为使焊缝获到最大的力学性能需要根据焊接条件采用碱性的焊条E5015（J507）预热不仅可以改善焊接接头的塑性，也能够有效地降低焊缝受热区的最高硬度，防止出现马氏体淬硬组织，避免产生冷裂纹，降低焊后残余应力，所以我们在焊前采用了预热这个主要的工艺措施——通常Q345的整体温度为100～120℃[3]。

2.2 焊接检查

该过程中一定要将背焊清根，每层之间要清除溢出的熔渣，两侧的湓溢物。焊缝的余高要控制在0到4mm之间，焊缝的表面不能够存在显而易见的裂纹、外部气泡、夹渣、焊瘤、双面焊缝中的焊穿问题、焊缝间断以及弧坑。为减少气孔需采用窄道短弧焊接，工件的表面焊接焊缝要工整、顺滑、有均匀分布的波纹状，焊缝的边缘直线度应小于等于2mm。在焊后必须要对焊件立刻进行退火温度为620摄氏度消除应力的热处理。完善焊件的焊接质量可以采用焊前预热、焊中保温以及焊后热处理。

3 减少焊接应力与变形的工艺措施

3.1 采用合理的焊接顺序

要控制和减少焊接变形必须采用正确的焊接顺序，它能够使焊接变形在焊接过程中消失匿尽。将不同时间段、不同的区域产生的变形方向相反，程度相似相互抵消的方式来防止焊接变形。要减少焊接应力就要依据产品的结构特点以及焊缝的大致分布情况，确定合理的焊接顺序和配置。应遵循以下原则：焊接的时候由中间向两边焊接，也要交替的焊接，尤其是焊接的顺序、方向、焊道的分部以及焊接的序次，要做到在结构和安排上的相符合，若单边拉伸极易产生角变形，因此要采用“刚性固定法”。要使每条焊缝自由的收缩就要降低束缚。

3.2 刚性固定法

采用刚性固定法的焊接方法，需使用两件完全一样的构件相互镶嵌，牢固的焊接，从而进行刚性固定。在焊接过程中，每件构件都会受到弯曲应力，焊接缝隙会分布在结构的左右两边，对称焊接，要按照焊接顺序，方向严格执行，两位焊工要在焊接的时候同时焊接达到平衡应力，收缩。采用此种焊接方法不仅方便，而且焊后的变形方向会相反达到抵消的作用，从而降低变形的程度，在刚性固定的情况下，也能够恰当的消除两端焊接时产生的变形。但是值得注意的是工件焊后需进行及时降低温度、热处理，用来消除内应力[4]。

3.3 预热法

焊前预热是减少焊接应力的最有效的方法，也就是在焊前将工件完整的预热一遍再进行焊接。焊前预热不单单可以使焊缝区金属和四周的金属温度差减少，在焊后又能够均匀的缓慢的同时冷却收缩，达到明显的减少焊接应力和焊接变形问题。

3.4 焊后退火处理

焊后退火是最常见的、也是最有效果的消除焊接应力的一种方法。焊后退火是焊后将工件均匀地加热到一定温度后，在保温一定时间，而后缓慢的冷却。被加热的工件随着温度的升高，强度下降。当强度下降到一定水平，焊接应力大于加热金属的屈服强度时，工件就会产生局部塑形变形，从而是残余应力得到释放。对于特定材质的焊接构件，保温温度越高，保温时间越长，消除应力越彻底。在冷却过程中，随着温度的降低，材料的屈服强度逐渐提高，不会再产生塑性变形。整体退火一般可消除绝大部分焊接时产生的残余应力。

4 结束语

抵制厚板的角变形的产生是在焊接时采用镶嵌模式的刚性固定法，这种方法值得我们大力的推广。在焊接的接头处使用不同的坡口显得格外重要。各种各样的坡口模式、焊接的顺序、方向、方法、工艺装夹方式都会在焊接的时候严重影响厚板焊接时产生的焊接残余应力的大小以及分布。厚板坡口形式可以采用双U形焊缝坡口形式，但是却不建议使用焊缝宽度加大的双V形坡口。为使保温层为最后焊层后热，要在厚板焊接的最后焊层上在追加一层焊道。在焊缝完全冷却至常温后，去除该多余焊层，使焊缝与原材料平行，也可保留焊缝余高在要求范围内。

[1]张士相.浅谈铸铁冷焊[J].现代制造工程，2011，03.

[2]沈正明.机械振动消除焊接件的残余应力[J].航空制造技术，2011，01.

[3]关 桥.推广应用焊缝滚压工艺中的几个问题[J].航空制造技术，2010，02.

[4]刘志强.结507焊条采用回火道法焊接东方红75/54拖拉机大梁[J].机械工人.热加工，2010，08.

To Reduce Welding Stress and Deformation Process Measures the Analysis and Discussion

QIJian-wei
(Huadian Caofeidian Heavy EquipmentCo.，Ltd.，Tangshan Hebei603200，China)

This papermainly introduces thewelding processofsteelstructure producewelding stressand deformation of the happen reason,also planning to prevent the deformation of the component basic processmeasures and matters of attention in thewelding process.

thewelding stress；deformation；processmeasures

TS132

A

1672-545X（2013）05-0276-02

2013-02-06

戚建伟（1980—），男，河北唐山人，本科学历，助理工程师，研究方向为焊接应用。