浅析焊接应力与焊接变形产生的原因及控制措施

摘 要：随着社会不断地进步，对于高新科技的精密性要求越来越严格，焊接也慢慢被逐步要求现代化、大型化等多种趋势发展，而传统意义的焊接中会产生多种很难规避的质量问题，如何发展采取措施减小金属在焊接过程中不产生焊接应力和焊接变形，在现实中具有非常重要的意义。

关键词：焊接应力；变形：原因；控制

中图分类号：TG404 文献标识码：A

1焊接应力与焊接变形产生的原因

1.1焊接应力产生的原因

焊接应力产生的主要原因是因为在焊接过程中局部会产生高温引起形状或尺寸的变化，焊缝的内应力和母材压应力数值平衡，焊接口也冷却到原始温度后，这时候应力状态就叫做焊接应力。

1.2焊接的不均匀受热

焊接过程中是向母材焊口之间加热，目的是为了让焊材局部产生高温使得母材部分融化粘合在一起，从而完成焊接的过程。所以让焊材局部产生高温，使得其不均匀受热是焊接的第一步。对母材进行不均匀加热，在其持续加热的过程中，只要达到母材的熔点温度，就会构件就会产生可塑性变形，一般情况下，粘合冷却后就会产生一定的焊接残余应力。而在其中个别过程中，由于不均匀受热，焊件的变形方向和焊后的变形方向是相反的，在其中焊件的应力一般分布是不均匀的，一旦完成整个焊接后，焊口附近的残余应力一般是属于拉应力。

1.3焊接变形产生的原因

在焊接过程中是把母材的焊口局部加热到高温状态，导致焊材材质上温度不均匀，并且焊接热循环的过程中会使得组织内部发生转变，体积变化的过程中会受到体积并未发生变化时的阻碍，这样焊接口就会产生变形，这就是焊接变形产生的主要原因。

1.4金属组织的变化

一般焊接过程中持续把母材局部温度加热，金属内部的体积组织状态也就会发生变化，金属为固体状态时成键作用是金属阳离子与其他自由电子之间会有相互作用，并无分子间的作用力，所以其物理属性和化学属性均取决于金属键，在焊接过程中局部持续加热，焊口部分金属熔化，金属键产生断裂。当焊缝金属重新冷却后，由于它与母材金属之间是紧密联系的，而焊缝金属并不能自由重新收缩成熔化前的形状，由此也会产生焊接应力和变形。

2焊接应力残余和变形的危害及消除措施

2.1为什么会产生焊接残余应力

在焊接完成之后，焊材熔化与母材结合产生新的形态，同时母材在局部高温后也会产生熔化再凝固的过程，这时候就会产生形变。形变完成之后并不代表焊接应力已经消除了，而是形变以后会产生新的力，这个就叫焊接变形。一般来说焊接残余应力和焊接变形是同时存在的，焊接残余应力也是焊接变形的结果，但一般情况来说焊接变形比焊接残余应力所带来的危害要大得多。如果严重的话它可能会使整个母材的形状或者尺寸发生变形，使得无法安装或者无法连接组装，同时还面临着整个材质的构建缺乏稳定从而无法承受一定程度的负荷。如果强行矫正将需要投入更大的人力物力，并且矫正后的母材仍面临着较大报废的风险，在一些安全系数较高的仪器焊接过程中，一旦出现疏漏所带来的损失有时候几乎是无法估测的。因此在焊接过程中，仍需要充分掌握母材的有机构造以及其机理结构，同时把握一定在变形后所发生的形变是否会影响使用的品质，才能在最低程度上控制其产生的危害。

2.2消除焊接应力的方法

2.2.1控制焊接应力的产生

虽然在焊接过程中避免焊材和母材之前发生形变和产生焊接应力是不可能的，但是根据不同材质以及焊接材料的选择上，同时利用不同材质的有机机理可以在一定程度上缓和形变和焊接应力的产生，可以使得其危害程度发生在最小。

一般情况下对于控制焊接应力的产生可以通过2个途径来完成，分为物理方法和化学方法。2种方法都只有一个目的，就是使得焊件上的热量尽量均匀分布以减少对焊口收缩所带来的副作用。化学方法是采用焊接前预热技术，因为局部范围内温差越高对凝固后产生的变形越大，对母材和焊材进行一定温度的预热可以避免凝固后所带来的变形，同时焊缝内凝固得速度越快越容易产生形变。预热又分为整体预热和局部预热，整体预热通常适用那些刚性比较大的母材，因为如果适用局部加热可能会使得局部热量过高，反而会影响焊接质量。而物理方法主要包括合理的装置和焊接顺序的安排，留出最佳合适的焊口，这样会给焊材的熔化膨胀和凝固收缩提供一定的余地，这样就可以有效地控制焊接应力的产生。

2.2.2消除焊接应力的措施

在焊接过程中消除焊接应力主要包括热处理法、机械法和振动法3种。

热处理方法主要是同整体加热或者局部加热来延缓焊接应力所带来的负面效果。具体的操作方法有很多，常用的是通过回炉加热，然后再保持一段时间的温度以后再冷却，这样会对消除焊接应力起到一定作用的效果。而通过整体回炉加温可以使得80%-90%的残余应力消除掉，这个也是在生产过程中最主要的消除焊接应力和防止器变形的主要方式。此外，在焊接材料中加入相对熔点较低的金属也可以使得焊接应力有一定程度的缓解。

机械法是指在焊接过程中，利用一些工具小幅度的敲击拍打母材，使得母材在一定程度上延缓焊接变形所带来的焊接应力对于质量的影响，敲击震动可以使得金属的可塑形延展性增强，也就能在一定程度上缓解焊接应力产生的变形。

振动法又分为法泵技术、水泵技术、阀泵技术、和水泵CFD技术等技术，构件在承受负荷应力达到一定值后，循环多次震动加载后就可以是结构应力达到最低水平，并且并不会附带高温回火所带来的氧化问题，目前已被投入使用。

2.3焊接变形的控制措施与消除方法

对于焊接变形后的消除方法主要包括其结构参数所带来的影响，以及材料参数和制作因素等各方面所带来的影响。而控制焊接变形也需要从焊接的根本因素着手。

2.3.1选择合理的焊缝以消除焊接变形的影响

基于不同母材的结构参数，也就是几何形状以及板材厚度等因素，综合考虑其焊缝所带来的影响。焊缝的设定对于整个焊接过程中是至关重要的一步，对于相同材质的母材来讲，焊缝留的空隙过大，会消耗过多的焊材，同时对于焊接的质量也会有所影响，焊材的密度一般要低于母材，这样对于构件的稳定性也会造成影响。如果焊缝留得过小，那么对于冷却时间就会过快，不利于焊接，对于焊接的力学性能和粘合性都会产生质量性的影响。

2.3.2合理安排焊缝位置以消除焊接变形的影响

焊缝的实际位置也可能影响焊接的力度，在选取焊接的截口尽量选择中性轴对称位置。焊缝的坡口角度越大，越需要填入更多的焊材金属溶质，以稳固其坡度的承受负荷的能力，而其板厚的横向力度受力就越发不均匀，影响焊接的品质。

在焊接的过程中尽量选择合理的位置，和留出合适的焊缝可以稳定整个焊接的受力能力，增强其承受负荷的能力。要想保证构建的稳定性和强度，剔除不必要的焊口焊缝选择合理的焊接位置以及焊接坡口，对于整个焊接品质的影响是最基础也是最重要的环节之一。

3 对于焊接变形的矫正

焊接变形主要又分为横向变形、纵向变形、角度变形、弯曲变形和扭曲变形这5种基本变形。对于已经发生变形的构件，分别需要采用不同的矫正方式。

而其中弯曲变形和扭曲变形超过一定的标准结构范围是必须采取矫正措施，其中多采用机械矫正、火焰矫正和混合矫正为主。而机械矫正主要分为液压矫正法和滚筒矫正法。而火焰矫正法，主要还是通过向构件持续加热，向金属内部注入热量，使得金属键再次发生断裂，从而达到可塑性的目的。在使用火焰矫正法时，一定要使得构件处于一个无承压重力的环节下，否则会使得构件主架结构发生变形，影响构件质量。火焰矫正法可以使得长达20m的钢材折弯拱形变化6mm的状态，而不影响其本身的质量。但是在过程中很难把握其定量加热的程度。

4 结语

本文通过对焊接的原理在对其基本结构和物理性质方面，对焊接过程中产生的焊接应力的产生和焊接变形提出了一些改良方式，焊接是影响整个构建稳定性，对其所承受负荷能力起着很关键的一环，完善焊接措施可以提高产品的质量。同时本文也针对已经焊接变形提出一些矫正措施，这对于后期产品的使用是十分必要的。

参考文献

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[2] 朱江.焊接变形的控制和预防[J].电焊机，2009.

[3] 熊大胜.减少大型焊接结构变形的措施[J].金属加工，2010.

[4] 陈伯鑫.焊接工程缺陷分析与对策[J].企业科技与发展，2009.

作者简介：史强（1982-），男，汉，陕西咸阳人，助教，本科，研究方向：焊接结构生产过程中焊接变形及防止措施。