焊件焊接应力分析及防变形的工艺措施

刘军莹

【摘 要】焊接在工业生产加工等各个领域都是一种广泛应用的加工工艺，焊接件质量水平高低直接影响了焊接对象的使用效果，因此，在焊接工艺中，焊件焊接应力状况及其防变形工艺是非常重要的，随着经济的发展，焊接技术也有了很大的提高，了解焊件焊接应力情况，以及焊件出现变形问题的原因对于提高焊件焊接应力能力，防止焊件变形，提高焊件有着重要的意义，

【关键词】焊接应力分析；变形；膨胀压缩；工艺措施

焊接是通过加热、高温或者高压的方法将工件金属和焊芯金属连接在一起的工艺方法，因此，在加热的过程中，焊件会随温度的变化产生变形，并且也出现了焊接部位的应力情况。本篇论文详细分析了焊件变形及其产生焊接应力的原因，并几种常见金属材料的焊接特点进行了阐述，并提出了防止焊接变形的工艺措施，对于提高焊件应力情况，防止焊件变形，促进焊接工艺水平的提高起到了非常好的借鉴作用。

一、焊接变形及产生焊接应力的原因

（一）焊接过程中，焊工件受到不均匀的温度影响，导致焊件出现了形状上和尺寸上的变化。例如：缩短、角度变化、弯曲变形等。焊接工序开始之时焊件就会出现变形的情况，受到焊件所受温度的变化移位而产生变化，热胀冷缩现象也出现焊接工艺中，焊件受到高温变开始膨胀变形，当温度下降焊缝处便开始凝固收缩，当焊件温度降至室温时，变形随之结束，焊件内部受热不均匀，出现了焊件的应力情况，不均匀的温度让金属局部出现了拉伸或者变形从而产生内应力，焊接时表面和内部的温度冷却程度不同，也引起了焊件变形；焊接是对局部进行的一项工序，因此，焊接區域受热时受到其他部位的压力限制，出现变形，当温度降下来之后，在焊件中会出现残余应力、变形以及卷翘，这些问题严重影响了焊件的质量和性能。

（二）焊接应力是指焊接时引起的内部应力，它根据产生的不同时期分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。瞬时应力受到温度的变化而变化，残余应力，是温度冷却后产生的应力。按照焊接应力位置不同可分为：横向应力、纵向应力以及厚向应力。焊缝的纵向横向收缩造成了焊接应力的产生。自由状态下，受约束的纵向收缩形成了平板对焊接缝横向残余用力，两块平板进行焊缝时，纵向受温度影响收缩，从而让两块板反向弯曲变形，这样焊缝中间截面处出现缝隙，而实际上是焊缝冷却后出现横向连接，导致焊缝中间受到横向的拉伸，而两侧冷却后压缩，横向残余应力拉应力最大值大大低于压应力的最大值。由此可见，焊缝长度对纵向收缩引起的横向残余应力分布会起到影响作用；另一方面，横向应力也会受到沿焊缝横向收缩不一致的影响，在进行焊接时，升温区域金属出现膨胀，降温区域金属出现收缩，这两方面的制衡压力形成里焊件的内部应力，膨胀部位受到压力，压缩部位受到拉力，温度场不断向前移位，受高温出现膨胀过的区域温度冷却开始收缩，而先于它冷却下来的金属限制了这块区域的收缩，在此同时，正在升温膨胀的区域金属也对这块区域的压缩产生影响，这样最终冷却下来的金属形成拉应力，与其相比邻的金属形成压应力。焊接过程中温度场在不断的产生移位，造成了内部纵横向的内用力变化，纵截面上内应力的平衡形成了横向应力的分布，因此焊接过程中按照何种方位及顺序进行施焊会对横向应力的分布产生不同的影响。

二、常用金属材料的焊接特点

（一）碳素钢

碳素钢分为：低碳钢、中碳钢、高碳钢。低碳钢塑性比较好，基本不会出现淬硬情况，在正常温度下，一般不必进行焊前预热，焊接完成也不需要作热处理工作，焊接性能比较好；相反，中碳钢和高碳钢这两种材料含碳比较高，很容易出现淬硬及冷却裂缝的情况，焊接过后焊缝会有气孔现象，因此，焊接前需要提前进行预热，这两种金属材料的焊接性能比较差。

（二）合金钢

合金钢也分为低合金钢、中合金钢、高合金钢。在对低合金钢进行焊接时正常可选用与低碳素钢相似的焊接工艺，但也不能一概而论，因为合金钢的焊接性能受到合金元素的种类以及含量的影响，在对低合金钢进行较高级别的焊接强度时，焊接性能相比会很差，焊接过程容易出现冷却裂缝问题，针对这种情况焊接时也选取合适的焊接工艺，对低合金材料进行焊前预热和焊后回火，可以避免焊件较厚及焊后硬化的问题；中合金钢和高合金钢相比低合金钢含有较多的合金元素，因此焊接性能较差，合金元素越多，焊接时产生裂缝的问题也越大，合金元素不同，焊接时会表现出不一样的特点和问题，在对合金进行焊接时要充分考虑到这种金属材料的特性，并采用与之对应的焊接工艺。

（三）铸铁

铸铁是一种焊接性能较差的金属材料，因其进行焊接时，焊缝处的金属的碳硅元素受到高温影响容易出现烧损情况，焊缝处多出现气孔和夹渣，焊接过程中不均匀的加热或者冷却会导致焊接位置出现白口组织和裂纹。

三、防止焊接变形的焊接工艺和措施

（一）依照合理的焊接顺序施焊

依上文焊接应力及变形产生原因分析可见，焊接顺序对于焊接变形会产生很大的影响，采用合理的焊接顺序能够有效控制焊接变形，了解焊接位置对变形产生的影响原理，利用不同时间，不同位置产生的焊接变形方向相反，大小相似，进行压力抵消，从而防止焊件变形；焊件金属纵向和横向的收缩受限引起的焊接应力可通过详细分析焊件结构特点以及焊缝的分布情况依据合理的焊接顺序进行施焊来减小。进行焊接时，本着减少减少焊缝拘束原则，让其进行自由收缩，从两侧至中间施焊，保证焊接顺序、方向、方向以及施焊次序在结构和安排上做到对称。减少变形因素的产生。

（二）采取刚性固定法

薄板焊接性能比较差，很容易出现焊接变形的情况，采用刚性固定法是当薄板面积大，焊缝比较长时，运用压铁方法，分别放在焊缝两旁以减少焊接变形，刚性固定法，采用合理的组对组焊夹具，抵消两侧焊接时的压力，将焊件固定起来进行施焊，增加了刚性，减少了变形因素。

（三）针对不同的金属材料选用不同的焊接工艺

金属材料不同，焊接性能会有很大的差别，因此在进行焊接时，首先要了解施焊对象的材料特点，焊接过程中容易出现的问题，并针对材料的特点和问题，合理选用焊接工艺，避免因为金属材料因其的焊接变形。

四、结束语

综上所述，焊接应力和变形对产品的质量和性能造成非常大的影响，能否控制好焊件变形，不光要了解金属材质，还要了解施焊结构，了解其性能，采用合理的焊接工艺，从而提高焊接水平。

【参考文献】

[1]刘星，茹高明，杜永彬.钢结构焊接防变形措施的研究[J].钢结构，2012，27S1：339-341.

[2]张庆生.焊件焊接应力分析及防变形的工艺措施[J].焊接技术，2011，4010：53-55.

[3]邵元金，闫君，杨玉超.焊接工艺对不锈钢焊接变形的影响[J].焊接技术，2015，4404：80-81.

[4]史红艳，付渊，齐全洪.薄壁深孔焊接件防变形加工工艺[J].机械管理开发，2013，01：91-92.