焊接应力与变形

吕鑫+曹阳

（沈阳东方钛业股份有限公司）

摘 要：随着社会飞速发展，人们在生活中对化工产品需求量很大，化工厂的大型化工设备需求量逐年增加，化工设备多数是高温高压设备，一旦泄露或爆炸，危险性非常高。因此制造化工设备质量要求严格，焊接是关键工序，直接影响着化工设备的质量。

关键词：焊接应力 变形 焊缝

随着社会飞速发展，人们在生活中对化工产品需求量很大，化工厂的大型化工设备需求量逐年增加，化工设备多数是高温高压设备，一旦泄露或爆炸，危险性非常高。因此制造化工设备质量要求严格，焊接是关键工序，直接影响着化工设备的质量。

焊接应力与变形往往使焊接产品质量下降，甚至会因无法补救而不得不报废。

焊接裂纹的产生与焊接应力有密切的关系。焊缝中的残余应力还会影响承压类特种设备的使用性能，残余应力较大的部位往往会发生应力腐蚀或疲劳裂纹。

一般情况下，焊接变形是对焊接质量不利的，但是若掌握了变形的机理和规律，便可控制它并利用它。如利用反变形来校正变形，或通过合理的焊接工艺减少焊接应力的产生。

一、焊接应力及变形的概念

在焊接过程中，工件受电弧热的不均匀加热而产生的内应力及变形是暂时的。当工件冷却后，仍然保留在工件内部的内应力及变形叫残余应力及残余变形。我们所说的焊接应力及变形就是指的焊接残余内应力和焊接的残余变形。

由于焊接接头型式、工件的厚度和形状、焊缝的长度及其位置不同，焊接时会出现各种形式不同的变形。大体上可分为：纵向变形、横向变形、弯曲变形、角变形、波浪变形及扭曲变形等。

二、焊接变形和应力的形成

焊接变形和应力是由许多因素同时作用造成的。其中最主要的因素有：焊件上温度分布不均匀；熔敷金属的收缩；焊接接头金属组织转变及工件的刚性约束等。

1、焊件上温度分布不均匀

由于电弧的作用，焊件局部被加热到熔化温度，焊缝与母材之间形成了很大的温度梯度。按热胀冷缩的原理，物体受热要伸长，不同的温度其伸长量不同，接头的高温区域要求伸长量大而受阻，形成了压应力；而温度较低的区域伸长量小的部分因抵抗高温区的伸长，形成了拉伸应力。

冷却过程中，熔化金属的体积要收缩，而接头以外的母材则限制了它的收缩便在焊缝区形成了拉伸应力，而母材临近焊缝区承受了压缩应力。

焊缝及近缝区的高温时几乎丧失了屈服强度，在应力的作用下便产生塑性变形，冷却后，焊件内形成了残余应力和残余变形。

2、熔敷金属的收缩

焊缝金属在凝固及随后冷却过程中，体积要收缩，在焊件内引起变形和应力，其变形和应力的大小取决于熔敷金属的收缩量，而熔敷金属的收缩量又取决于熔化金属的数量。如V型坡口的角变形，就是由于焊缝上部的熔敷金属的熔敷量多，收缩量大，而焊缝下部的截面小，熔敷金属的数量小，收缩量也小，上下收缩的不一致而造成的。

3、金属组织的转变

在焊接热循环的作用下，金属内部显微组织发生转变，各种组织的密度不同，便伴随了体积的变化，处理了组织应力的内应力。

焊接变形和应力还与焊接方法及焊接工艺参数有关。如气焊时，热源不集中，焊件上的热影响区面积较电弧焊大，所有产生的焊接变形和应力也大。又如电弧焊时，电流大或者焊接速度慢导致热影响区增大，产生的焊接变形和应力也增大。如易淬火钢在焊接热循环的作用下由高温奥氏体（密度0.1275）冷却后转变为马氏体（密度为0.1310），体积变化近10%。

4、焊件的刚性拘束

如果焊接自身的刚性很大，或在紧固的条件下施焊，拘束条件限制了焊件再热循环作用下的自由伸长和收缩，这可控制焊接变形，但焊件中却形成了较大的内应力。

四、焊接应力的危害

1、对结构完整性的影响

焊接热应力可促使焊缝产生热裂纹，残余应力导致焊后延迟裂纹的形成。

2、对结构服役性能的影响

焊接残余应力可以加速疲劳破坏，导致应力腐蚀开裂（包括硫化物引起的开裂和碱脆破坏），产生低温脆断破坏，促进材料的腐蚀磨损等，压缩残余应力还会造成薄板结构或细长杆件的压曲失稳，产生面外变形。

五、焊接应力的控制措施

焊接件内残留有内应力是不可避免的，但可以根据其产生机理和规律寻找一些措施来有效控制它，使之危害程度降至最小。

控制内应力的方法基本要点有两个：使焊件上热量尽量均匀和尽量減少对焊缝自由收缩的限制。通常采用的工艺措施如下：

1、合理的装配与焊接顺序

主要是在装配和施焊的顺序安排上尽量使焊缝能自由的收缩，便可有效的控制焊接应力。

（1）先焊变形收缩量较大的焊缝，使基能较自由地收缩。如一个带盖板的双工字钢构件，由于对接焊缝的收缩量大于角焊缝的收缩量，所以应先焊盖板的对接焊缝，后焊盖板和工字梁之间的角焊缝。又如，薄板焊接后收缩量大，厚板焊接后收缩量相对小，先焊的部位焊接变形大，后焊的焊接变形相对小。对于碳钢和不锈钢来说，不锈钢变形大，碳钢的变形相对小，对于焊接后需要机械加工的部件，要考虑焊接变形量和机械加工余量。

（2）先焊错开的短焊缝，后焊直通长焊缝。如大直径的底板，往往采用多块板材拼接，焊接时，应先焊接较短的纵向焊缝，后焊接长的横向焊缝。

（3）先焊在工作时受力较大的焊缝，使内应力合理分布。如球罐的现场焊接，采用对称施焊。减少应力分布。也可以采用分段退焊，避免十字焊缝等方法。避免应力集中。

2、焊前预热

被焊工件各部位的温差越大，焊接冷却速度越快则焊接接头的残余应力越大，预热既能减少工件各部位的温差，又能减缓冷却速度，所有是降低焊接残余应力的有力措施之一。

预热可局部预热或整体预热。对刚性大，厚度大的工件，应整体预热，这样降低残余应力的效果更佳。

除了以上控制应力的方法外，还有在焊接结构设计采取措施。如：堆成布置焊缝、避免封闭焊缝等，以及对阻碍焊接接头自由收缩的部位加温，使之与焊缝同步收缩，这种方法称为”减应法”。

六、消除焊接应力的方法

消除焊接应力的方法主要有：热处理法，机械法和振动法。

1、热处理法

焊后热处理是消除残余应力的有效方法，也是广泛采用的方法。它可分为整体热处理和局部热处理。

一般是将被焊工件加热到A1线以下，保温均温，再缓慢冷却，以达到残余应力消除。

如Q235B，Q345R材料焊后热处理的温度一般选为620±20℃。

2、机械法

用机械的方法施加外力使冷却后的焊缝金属产生延展，已达到消除应力的目的，这种方法叫机械法消除应力。如锤击焊缝；在卷板机上碾压焊缝；对焊接结构实行由控制的过载等都是机械法消除应力的方法。

3、振动法

以低频振动整个构件以达到消除应力的目的。一般钢结构件需要消除应力采用。

综上所述，焊接过程的应力有一定的危害。通过合理的焊接工艺及后续的消除焊接应力的办法，减少焊接应力，对提高产品质量有很多意义。