儲(chǔ)憲斌

金屬結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中,由于受焊接材料、焊接方法、工作環(huán)境等因素的影響,再加上焊材受到局部加熱而產(chǎn)生的不均勻溫度場(chǎng),極易產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力與變形。焊接殘余應(yīng)力與變形如果得不到合理控制,就會(huì)使焊接產(chǎn)品質(zhì)量下降,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)裂紋,甚至產(chǎn)品報(bào)廢。

一、焊接殘余應(yīng)力與變形的形式及產(chǎn)生原因

金屬構(gòu)件在焊接過(guò)程中,由焊接熱過(guò)程引起的應(yīng)力和變形,就是焊接應(yīng)力和焊接變形。焊后,當(dāng)焊件溫度降至常溫,殘存與焊件中的應(yīng)力成為焊接殘余應(yīng)力,焊件不能恢復(fù)的變形就成為焊接殘余變形。

焊接殘余應(yīng)力主要有縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力兩種形式,其產(chǎn)生原因主要是焊接時(shí)構(gòu)件受熱不均勻造成的。由殘余應(yīng)力造成的殘余變形一般有以下幾種形式:第一,縱向變形,由不同的溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力造成的縱向縮短。第二,橫向變形,由不同的溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力造成的橫向縮短。第三,彎曲變形,由于焊縫不在中性軸上造成的。第四,扭曲變形。焊件焊后兩端繞中性軸相反方向扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度。第五,角變形。焊后構(gòu)件兩側(cè)鋼板離開原來(lái)位置翹起一個(gè)角度的變形。第六,波浪變形。一般在薄板焊接結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生,有兩種原因:一種是薄板結(jié)構(gòu)焊接時(shí)的縱向和橫向壓應(yīng)力作用,使薄板失去穩(wěn)定而造成波浪形的變形;另一種是由角焊縫的橫向收縮引起的角變形。

二、影響焊接殘余應(yīng)力與變形的因素

1.焊縫在結(jié)構(gòu)中的位置

焊縫在結(jié)構(gòu)中布置不對(duì)稱時(shí),施焊后要產(chǎn)生彎曲變形,彎曲的方向是朝向焊縫數(shù)目多的那一側(cè)。焊縫偏離焊件中性軸時(shí),其變形將向焊縫所在的那一側(cè)彎曲,而且離中性軸越遠(yuǎn)越容易產(chǎn)生彎曲變形。

2.焊接結(jié)構(gòu)的裝配及焊接順序

焊接結(jié)構(gòu)的裝配及焊接順序是否合理,對(duì)焊接殘余應(yīng)力與變形的影響很大,一般情況是對(duì)焊接結(jié)構(gòu)總裝后再進(jìn)行焊接,這樣可以使焊接結(jié)構(gòu)剛性增加,減小焊后變形。但是,對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件,有時(shí)可以分別裝配焊接,然后再拼接成整體,使不對(duì)稱的焊縫或收縮量較大的焊縫能比較自由地收縮,組焊時(shí)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響就較小,從而控制焊后殘余應(yīng)力與變形。

3.焊件的剛性

焊件剛性的大小也是影響焊接殘余應(yīng)力與變形的因素,剛性越大,焊件結(jié)構(gòu)越不易變形。

4.焊接工藝參數(shù)

焊接工藝參數(shù)主要是指焊接電流和焊接速度,一般焊后殘余應(yīng)力與變形隨著焊接電流的增大而增大,隨著焊接速度的加快而減小。

5.焊接材料的線膨脹系數(shù)

焊接材料的線膨脹系數(shù)越大,其焊后變形也越大。另外,焊接方法、焊接方向、坡口形式和材料的自重等都對(duì)焊接殘余應(yīng)力與變形有一定影響。例如,焊接一條直長(zhǎng)焊縫,采用同一方向從頭焊到尾的方法,會(huì)使熱量分布不均勻,焊件產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也不同,其焊縫越長(zhǎng),變形也就越大。若采用分段跳焊法,焊后變形就會(huì)小一些。

三、防止和減小焊接殘余應(yīng)力與變形的措施

1.焊件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理

合理的焊接結(jié)構(gòu)是控制和減小焊接殘余應(yīng)力與變形的基礎(chǔ)和重要措施。因此,設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮以下幾方面:在保證焊接結(jié)構(gòu)有足夠強(qiáng)度的前提下,盡量減小焊縫的數(shù)量和尺寸;)盡量對(duì)稱布置焊道;必要時(shí)預(yù)先留出收縮余量;將焊縫布置在最大工作應(yīng)力之外;適當(dāng)采用沖壓結(jié)構(gòu)減少焊接結(jié)構(gòu)等。

2.采用合理的裝配和焊接順序

焊接工字梁時(shí),采用先整體裝配成工字梁。此時(shí),梁的剛性增加。然后,采用對(duì)稱、分段跳焊的焊接順序,焊后上拱彎曲變形就小得多,反之將產(chǎn)生較大的變形;對(duì)稱焊縫應(yīng)采用對(duì)稱焊接,不對(duì)稱的應(yīng)采用先焊焊縫少的一側(cè),后焊焊縫多的一側(cè),使后焊焊縫產(chǎn)生的變形足以抵消先前的變形,以使總體變形減小;結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)焊縫,采用連續(xù)的直通焊接將會(huì)造成較大的變形,而采用分段退焊和跳焊法,能有效地控制熱量過(guò)于集中而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力與變形。

3.選擇合適的焊接工藝參數(shù)

選擇焊接工藝參數(shù)時(shí),應(yīng)盡可能采用小直徑焊條和較小的焊接電流,減少焊件受熱范圍,以減小焊接殘余應(yīng)力與變形。

4.采用多種工藝方法

(1)反變形法。焊前先使焊件向焊接變形相反的方向變形,來(lái)抵消焊接殘余變形。

(2)剛性固定法。焊前對(duì)焊件采取外加剛性約束,使其不能自由變形。

(3)散熱法。焊接時(shí),采用強(qiáng)迫冷卻的方法將焊接區(qū)的熱量帶走,使受熱區(qū)的面積大為減小,從而達(dá)到減小殘余變形的目的。

(4)預(yù)熱法。焊前對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行加熱來(lái)減小焊接時(shí)的溫度差,以使焊縫區(qū)與焊件整體盡可能地均勻冷卻,從而減少殘余應(yīng)力與變形。

(5)敲擊法。在焊件冷卻過(guò)程中,使它產(chǎn)生塑性變形,來(lái)抵消焊縫的一部分收縮量,起到減小焊接殘余應(yīng)力與變形的作用。

(作者單位:山東省濟(jì)寧技術(shù)學(xué)院)