金属材料焊接应力与变形控制分析

吕威

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1 焊接应力与焊接变形产生的原因分析

1.1 焊接构件温差较大

焊接时焊缝高温区域导致整个周边温度不断发生变化，受环境温度等因素影响，构件产生局部温度较大问题，这是导致应力和变形的最主要原因。焊接时焊缝金属熔化，导致焊缝区温度相对较高，而焊缝区周围金属温度相对较低，则焊接过程产生了相对较大的区域温差，构件内部温差较大，导致构件整体的不规律膨胀和收缩，构件在局部拉应力和压应力作用下不能自由膨胀。当金属材料受到的拉或压应力超过其屈服强度临界点时，会产生塑性变形。焊件逐渐冷却时，因受热的部分金属已产生了塑性变形，则会出现被加热区域金属构件长度缩短情况，但其周边未受加热影响的部分金属又会阻碍它的缩短，这样会导致整体构件的不均匀受力，就会在整体金属构件中产生应力。

1.2 焊缝金属的收缩

焊缝金属从高温到冷却过程中，根据热胀冷缩原理，体积会收缩。随着温度变化，构件会产生相应的变形和应力。焊缝的收缩会对焊缝区金属产生压应力，焊缝区周围金属产生拉应力，两种应力作用下导致金属结构件局部的不规则受力而出现凸凹不平变形。焊缝金属的收缩量主要受控于熔化金属的数量，即高温区域的占比影响，所以采用的构件坡口形式对焊接变形影响比较大。

1.3 焊缝金属的组织变化

焊缝金属在施焊达到熔点融化开始，随着焊接过程焊缝区域金属融合了两个焊件及焊材的材料，从熔点高温冷却到常温，金属内部材料组织会相应的发生变化，随着金属材料含量不同，焊缝金属冷却后会发生体积变化，但在周围没有组织变化的金属则会产生限制作用力，则会产生构件内部的应力[1]。

1.4 焊件的刚度

金属构件在焊接过程中会约束部分金属变形，刚性不同的焊接结构件，焊后变形的情况也不同。如采取工装胎具固定后焊接，由于工装的限制，焊件不能随温度的变化自由膨胀和收缩，就会有效地减少构件变形，但同时会增大焊接应力。

2 焊接应力的控制

2.1 合理的设计措施

在建筑结构设计中，在焊接上应尽量减少焊缝数量，尽量减少焊接量来达到控制结构件应力的目的，根据焊件的面积、厚度、合理安设计焊缝量和坡口型式。焊缝尽量对称，避免密集和交叉焊缝。尽量利用型材代替板材进行焊接，以减少焊缝条数。

2.2 工艺对策

（1）采用合理的焊接顺序和方向。金属材料在焊接前，应主要排除焊缝的纵、横向不能自由收缩限制因素，合理安排焊接顺序和方向，可采用从中间向两端进行施焊，对于复杂的如箱罐底板纵横交错的对接焊缝应整体来考虑焊接顺序，从中部向外、先短后长焊缝、先交叉焊缝、对称退焊等综合方法，利于各道焊缝的自由收缩。收缩量最大的焊缝要先进行施焊，对于有对接焊缝和角焊缝的结构，对接焊缝收缩量相对较大应先焊，先焊的收缩阻力小、应力小[2]。

（2）降低焊缝的拘束度。在焊接受结构局限而造成相关的封闭焊缝拘束度较大，例如箱罐环缝的最后封口焊接，以及拘束度大而易产生变形的结构，就要根据情况事先采用刚性固定法、反变形法及焊前预热焊后缓冷等措施来控制结构焊接时的局部拘束度，释放局部应力控制变形，控制整体结构变形的目的。

（3）锤击焊道法。在施焊过程同时，采用手锤等工具锤击焊缝，可起到熔池焊缝应力均衡作用，使焊缝收缩及周边金属膨胀应力均衡，让焊缝区金属得到有效延展。但锤击力度应适当，避免过力产生裂纹。锤击适用于多层多道焊缝，在打底层和表面层不宜使用。

（4）加热减应法。在焊件的减应区加热使金属材料膨胀而延长，加热区的延长可以带动焊接区产生与焊缝方向相反的变形。这样，在加热区冷却收缩时，焊缝就可以自由地收缩，达到减少内应力，类似于火焰矫正消除应力的效果[3]。

（5）采用冷焊法。采用冷焊法力求做到整个结构上的温度分布尽量均匀，追求焊缝和高温热影响区的宽度尽量窄小，控制温度，这样收缩造成的应力则会比较小，例如采用较小的焊接线能量、合理的焊接顺序和操作方法都可以实现。如采用小径焊条、小电流多层直焊法。

（6）焊前预热和焊后缓冷。根据材料特性，一些特殊材料的焊接需要焊前预热，来减少焊缝区与周围区域的温差。焊后缓冷是焊缝在温度降低时可再次加热到适当温度来降低焊缝区的冷却速度，使焊件能较均匀缓慢冷却，来控制焊接应力与变形。如锅炉上采用的耐热钢材料12Cr1MoVG在焊接工艺上需要焊前预热、焊后保温退火、热处理等措施。

3 焊接变形的控制

3.1 反变形法

反变形法是在生产中使用较广的一种方法，它是根据经验对焊接变形量大小和走向的一个预判，而在金属结构件组对和拼装时预留一定的相反变形量，使结构件焊后与焊前预留量产生的变形相抵消，来达到构件平整的目的和想达到的理想状态。

3.2 利用装配和焊接顺序控制变形

通过对焊接顺序和结构装配的调整可有效控制焊接变形，同样的结构如采用不同的焊接顺序和合理的装配方法，便可实现良好的控制效果。所以选择正确合理的焊接与组装顺序比较重要，一般可按以下原则：（1）收缩量大的焊缝先焊。（2）采取对称同时施焊法（从中心对称向外施焊法）。（3）长焊缝焊接时，应采取对称焊、由内向外、逐步退焊、跳焊顺序。

3.3 对称施焊法

对称施焊法在制定焊接工艺时，根据整体结构件或设备结构情况安排焊接位置、方向、焊接人数，达到控制变形量最小的目的，焊接人数都是成对成组配置，较大的结构需多人同时施焊，使焊接变形相互制约，使结构内部应力得到均衡而不产生较大的整体变形。