储宪斌

金属结构在焊接过程中,由于受焊接材料、焊接方法、工作环境等因素的影响,再加上焊材受到局部加热而产生的不均匀温度场,极易产生焊接残余应力与变形。焊接残余应力与变形如果得不到合理控制,就会使焊接产品质量下降,严重时还会出现裂纹,甚至产品报废。

一、焊接残余应力与变形的形式及产生原因

金属构件在焊接过程中,由焊接热过程引起的应力和变形,就是焊接应力和焊接变形。焊后,当焊件温度降至常温,残存与焊件中的应力成为焊接残余应力,焊件不能恢复的变形就成为焊接残余变形。

焊接残余应力主要有纵向应力和横向应力两种形式,其产生原因主要是焊接时构件受热不均匀造成的。由残余应力造成的残余变形一般有以下几种形式:第一,纵向变形,由不同的温度场和残余应力造成的纵向缩短。第二,横向变形,由不同的温度场和残余应力造成的横向缩短。第三,弯曲变形,由于焊缝不在中性轴上造成的。第四,扭曲变形。焊件焊后两端绕中性轴相反方向扭转一个角度。第五,角变形。焊后构件两侧钢板离开原来位置翘起一个角度的变形。第六,波浪变形。一般在薄板焊接结构中产生,有两种原因:一种是薄板结构焊接时的纵向和横向压应力作用,使薄板失去稳定而造成波浪形的变形;另一种是由角焊缝的横向收缩引起的角变形。

二、影响焊接残余应力与变形的因素

1.焊缝在结构中的位置

焊缝在结构中布置不对称时,施焊后要产生弯曲变形,弯曲的方向是朝向焊缝数目多的那一侧。焊缝偏离焊件中性轴时,其变形将向焊缝所在的那一侧弯曲,而且离中性轴越远越容易产生弯曲变形。

2.焊接结构的装配及焊接顺序

焊接结构的装配及焊接顺序是否合理,对焊接残余应力与变形的影响很大,一般情况是对焊接结构总装后再进行焊接,这样可以使焊接结构刚性增加,减小焊后变形。但是,对于大型复杂结构件,有时可以分别装配焊接,然后再拼接成整体,使不对称的焊缝或收缩量较大的焊缝能比较自由地收缩,组焊时对整体结构的影响就较小,从而控制焊后残余应力与变形。

3.焊件的刚性

焊件刚性的大小也是影响焊接残余应力与变形的因素,刚性越大,焊件结构越不易变形。

4.焊接工艺参数

焊接工艺参数主要是指焊接电流和焊接速度,一般焊后残余应力与变形随着焊接电流的增大而增大,随着焊接速度的加快而减小。

5.焊接材料的线膨胀系数

焊接材料的线膨胀系数越大,其焊后变形也越大。另外,焊接方法、焊接方向、坡口形式和材料的自重等都对焊接残余应力与变形有一定影响。例如,焊接一条直长焊缝,采用同一方向从头焊到尾的方法,会使热量分布不均匀,焊件产生的内应力也不同,其焊缝越长,变形也就越大。若采用分段跳焊法,焊后变形就会小一些。

三、防止和减小焊接残余应力与变形的措施

1.焊件的结构设计要合理

合理的焊接结构是控制和减小焊接残余应力与变形的基础和重要措施。因此,设计时一定要考虑以下几方面:在保证焊接结构有足够强度的前提下,尽量减小焊缝的数量和尺寸;)尽量对称布置焊道;必要时预先留出收缩余量;将焊缝布置在最大工作应力之外;适当采用冲压结构减少焊接结构等。

2.采用合理的装配和焊接顺序

焊接工字梁时,采用先整体装配成工字梁。此时,梁的刚性增加。然后,采用对称、分段跳焊的焊接顺序,焊后上拱弯曲变形就小得多,反之将产生较大的变形;对称焊缝应采用对称焊接,不对称的应采用先焊焊缝少的一侧,后焊焊缝多的一侧,使后焊焊缝产生的变形足以抵消先前的变形,以使总体变形减小;结构中的长焊缝,采用连续的直通焊接将会造成较大的变形,而采用分段退焊和跳焊法,能有效地控制热量过于集中而产生的残余应力与变形。

3.选择合适的焊接工艺参数

选择焊接工艺参数时,应尽可能采用小直径焊条和较小的焊接电流,减少焊件受热范围,以减小焊接残余应力与变形。

4.采用多种工艺方法

(1)反变形法。焊前先使焊件向焊接变形相反的方向变形,来抵消焊接残余变形。

(2)刚性固定法。焊前对焊件采取外加刚性约束,使其不能自由变形。

(3)散热法。焊接时,采用强迫冷却的方法将焊接区的热量带走,使受热区的面积大为减小,从而达到减小残余变形的目的。

(4)预热法。焊前对焊接区域进行加热来减小焊接时的温度差,以使焊缝区与焊件整体尽可能地均匀冷却,从而减少残余应力与变形。

(5)敲击法。在焊件冷却过程中,使它产生塑性变形,来抵消焊缝的一部分收缩量,起到减小焊接残余应力与变形的作用。

(作者单位:山东省济宁技术学院)