焊接应力与焊接变形的抑制

张晟

（新疆维吾尔自治区有色地质勘查局704队，新疆哈密 839000）

1 焊接应力与变形的产生原因

产生焊接应力与变形的基本原因是由于焊接时焊件的局部加热到高温状态，形成了焊件上温度的不均匀分布所造成的。因不同的焊接热引起金相组织发生转变，随之而出现体积的变化，当体积变化受到阻碍时便产生了应力，出现整体变形。

2 降低焊接应力的措施

主要包含设计措施、工艺措施、焊前热处理、焊后热处理等。

（1）设计措施就是从设计的角度出发采取减少焊接构件焊接的数量、长度、改善焊缝的分布布局，让焊缝分布分散，优化焊口接头的结构形式等措施，以避免或减少焊接应力的叠加，譬如在满足工艺要求的情况下，将管道管口尽可能多设计为翻边式，少用或不用承插式。

（2）工艺措施就是从焊接加工顺序、使用的焊接设备的方向来降低焊接的应力，通常可以使用焊接能量集中，较低的焊接能量，较低的焊接线能量就可满足焊接要求的焊机，因为较小的焊接线能量输入能减少焊缝热塑变的范围以及温度梯度的幅度，如使用气体保护焊，减少手工电弧焊的使用。

在焊接过程中合理的安排安装焊接的顺序、方向，使焊缝有能够自由收缩的余地，在焊接过程中不得施加约束的外加力，让焊接应力得以有效的释放，如在大面积多张钢板焊接时应先对短焊缝进行焊接，当全部短焊缝焊接完毕后再进行长焊缝的焊接。也可采取在进行层间进行锤击的方法，当每层焊道焊接完毕后使用小锤敲击焊缝以及焊缝临近区域，这样会让金属晶粒间的应力得以释放，能非常有效的降低母材与焊材之间的残余应力，尤其是在焊接铸铁焊件时效果尤其显著，如未能及时的对铸铁焊件焊缝进行层间敲击释放应力，在焊缝周围的母材上会产生明显的焊接裂纹。

（3）焊接前的热处理。如果焊接构件在焊接前后温差较大则会产生较大的焊接残余应力，在焊接前对焊接构件进行焊前预热就能减少焊接构件焊接前后的温差以及能减慢焊接构件的冷却速率，这样就能很好并且有效的减小焊接残余应力。对于焊前预热的另外一种形式为预热预拉伸补偿法，原理为对于一些焊接构件有可能阻碍焊接区域内可以自由伸缩的部位，使用预加热或机械的方式方法，使得焊接构件焊接区域同时拉伸或者同时收缩，减少焊接构件内部产生的焊接内应力。

（4）焊材的选择方法。对于焊接高强度低合金钢（如Q460 钢材）构件，必须使用焊材塑性较好的焊条进行构件的焊接，原因为当焊接构件的焊缝在采用塑性良好的焊材进行填充焊接后，有着良好的塑性形变，让焊接构件时产生的焊接内应力通过焊缝的塑性形变得以释放，减少焊接构件的焊接应力。焊接构件在高温焊接时会产生“氢脆”的现象，消氢的意义在于控制焊接构件热区域内焊材内部的氢元素的含量，让焊缝内部的氢元素溢出，预防氢元素导致的集中应力产生，杜绝氢元素导致的冷裂纹的产生，方法为可使用低氢型焊材和在焊接结束后对焊接构件采取消氢处理。在进行消氢处理时，加热温度通常情况下控制在300 至350 摄氏度之间，保温时间一般控制在2至4个小时左右，然后再进行冷却。

（5）焊后热处理。即对焊接构件采取高温回火的热处理方法，消除焊机构件内部的残余内应力，具体原理为利用钢材在高温条件下其屈服强度极限会降低，让焊件内部焊接内应力高区域发生塑性流动，弹性变形逐渐减少，塑性变形逐渐增加，使焊接内应力发生降低。方法为将焊接构件放在热处理炉内加热到一定温度并且保温一段时间。焊后热处理的温度与保温时间对焊接的金属抗拉强度、蠕变极限有着较高的影响。但钢种对焊材焊缝金属冲击韧性有着较高的影响。

（6）可以用振动的方法来消除焊接残余应力，原理是如果焊接构件承受变载荷应力达到一定数值，经过多次振动后，就会让焊接结构中的残余应力降低，可以消除部分焊接残余应力。此方法适用于一般的大型焊件。振动法的优点是绿色环保、设备结构简单、使用成本低、操作时间短。

3 焊接变形的危害性及预防措施

3.1 焊接变形的类型

焊接变形根据产生的环境条件，基本可分为在焊接高热过程中的瞬态热变形与在室温常温状态下的残余变形。按照在焊接构件的几何空间分布可分为焊件构件的面内变形和面外变形。面内变形包含焊缝纵向收缩变形、焊缝横向收缩变形、焊缝回转变形；面外变形包含失稳波浪变形、角变形、扭曲变形、弯曲变形。

3.2 焊接变形的危害

焊接变形可以导致焊接构件外观质量降低，影响焊接构件的装配质量，降低焊接构件的承载能力，增加焊接构件消除形变、矫正构件的工序、增大了制造的时间、人工成本。

3.3 预防焊接变形的措施

预防焊接变形主要通过合理的设计焊接结构、合理的装配工艺、合理的焊接工艺等措施，避免焊接变形。

通过对焊接构件合理的结构设计，对焊接构件焊缝位置的合理安排，焊接坡口形式的合理选择（如使用对称坡口），焊接焊缝要尽可能的与焊接构件截面中性轴对称，焊接构件焊缝不应过于集中，焊接构件焊缝的数量、长度不应过多过长，在满足焊接构件有足够机械强度的前提下，要使用具有较少的焊缝数量、长度、横截面积。

通过对装配工艺措施的合理安排，将预计焊接构件焊接后必定会发生缩短的尺寸的，在焊前预留出来收缩余量，防止焊接构件在焊接后发生几何尺寸的缩短。另一种方法为反变形法，基本原理为抵消焊接构件的变形，方法为先将焊接构件加热使其发生反向变形，进行人为的预变形，再进行焊接构件的焊接。对于几何尺寸较小的焊接构件的角变形、波浪失稳变形可采取刚性固定焊接构件的方法。对于焊接薄板型的焊接构件，可采用在焊缝两侧使用型钢通过螺栓固定紧固的方法进行刚性固定。

对于大型焊接构件的焊接，应合理的选择焊接装配顺序，可以合理的将大型焊接构件分解成若干个较小的部分分别进行装配焊接，因为较小的焊接构件可以自由的收缩，焊接的变形量较小，不会导致焊接整体构件的形变，然后再将这些小部件组成整体进行焊接。

合理的焊接工艺措施也是减小焊接形变的重要措施，在满足焊接强度的条件下，尽可能的减小焊接线能量的输入的焊接方法，如多采用气体保护焊等热集中的焊接方法，尽量少用手工焊条电弧焊，尤其是要少用气焊。