焊件焊接應力分析及防變形的工藝措施

劉軍瑩

【摘 要】焊接在工業生產加工等各個領域都是一種廣泛應用的加工工藝，焊接件質量水平高低直接影響了焊接對象的使用效果，因此，在焊接工藝中，焊件焊接應力狀況及其防變形工藝是非常重要的，隨著經濟的發展，焊接技術也有了很大的提高，了解焊件焊接應力情況，以及焊件出現變形問題的原因對于提高焊件焊接應力能力，防止焊件變形，提高焊件有著重要的意義，

【關鍵詞】焊接應力分析；變形；膨脹壓縮；工藝措施

焊接是通過加熱、高溫或者高壓的方法將工件金屬和焊芯金屬連接在一起的工藝方法，因此，在加熱的過程中，焊件會隨溫度的變化產生變形，并且也出現了焊接部位的應力情況。本篇論文詳細分析了焊件變形及其產生焊接應力的原因，并幾種常見金屬材料的焊接特點進行了闡述，并提出了防止焊接變形的工藝措施，對于提高焊件應力情況，防止焊件變形，促進焊接工藝水平的提高起到了非常好的借鑒作用。

一、焊接變形及產生焊接應力的原因

（一）焊接過程中，焊工件受到不均勻的溫度影響，導致焊件出現了形狀上和尺寸上的變化。例如：縮短、角度變化、彎曲變形等。焊接工序開始之時焊件就會出現變形的情況，受到焊件所受溫度的變化移位而產生變化，熱脹冷縮現象也出現焊接工藝中，焊件受到高溫變開始膨脹變形，當溫度下降焊縫處便開始凝固收縮，當焊件溫度降至室溫時，變形隨之結束，焊件內部受熱不均勻，出現了焊件的應力情況，不均勻的溫度讓金屬局部出現了拉伸或者變形從而產生內應力，焊接時表面和內部的溫度冷卻程度不同，也引起了焊件變形；焊接是對局部進行的一項工序，因此，焊接區域受熱時受到其他部位的壓力限制，出現變形，當溫度降下來之后，在焊件中會出現殘余應力、變形以及卷翹，這些問題嚴重影響了焊件的質量和性能。

（二）焊接應力是指焊接時引起的內部應力，它根據產生的不同時期分為焊接瞬時應力和焊接殘余應力。瞬時應力受到溫度的變化而變化，殘余應力，是溫度冷卻后產生的應力。按照焊接應力位置不同可分為：橫向應力、縱向應力以及厚向應力。焊縫的縱向橫向收縮造成了焊接應力的產生。自由狀態下，受約束的縱向收縮形成了平板對焊接縫橫向殘余用力，兩塊平板進行焊縫時，縱向受溫度影響收縮，從而讓兩塊板反向彎曲變形，這樣焊縫中間截面處出現縫隙，而實際上是焊縫冷卻后出現橫向連接，導致焊縫中間受到橫向的拉伸，而兩側冷卻后壓縮，橫向殘余應力拉應力最大值大大低于壓應力的最大值。由此可見，焊縫長度對縱向收縮引起的橫向殘余應力分布會起到影響作用；另一方面，橫向應力也會受到沿焊縫橫向收縮不一致的影響，在進行焊接時，升溫區域金屬出現膨脹，降溫區域金屬出現收縮，這兩方面的制衡壓力形成里焊件的內部應力，膨脹部位受到壓力，壓縮部位受到拉力，溫度場不斷向前移位，受高溫出現膨脹過的區域溫度冷卻開始收縮，而先于它冷卻下來的金屬限制了這塊區域的收縮，在此同時，正在升溫膨脹的區域金屬也對這塊區域的壓縮產生影響，這樣最終冷卻下來的金屬形成拉應力，與其相比鄰的金屬形成壓應力。焊接過程中溫度場在不斷的產生移位，造成了內部縱橫向的內用力變化，縱截面上內應力的平衡形成了橫向應力的分布，因此焊接過程中按照何種方位及順序進行施焊會對橫向應力的分布產生不同的影響。

二、常用金屬材料的焊接特點

（一）碳素鋼

碳素鋼分為：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼。低碳鋼塑性比較好，基本不會出現淬硬情況，在正常溫度下，一般不必進行焊前預熱，焊接完成也不需要作熱處理工作，焊接性能比較好；相反，中碳鋼和高碳鋼這兩種材料含碳比較高，很容易出現淬硬及冷卻裂縫的情況，焊接過后焊縫會有氣孔現象，因此，焊接前需要提前進行預熱，這兩種金屬材料的焊接性能比較差。

（二）合金鋼

合金鋼也分為低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼。在對低合金鋼進行焊接時正?？蛇x用與低碳素鋼相似的焊接工藝，但也不能一概而論，因為合金鋼的焊接性能受到合金元素的種類以及含量的影響，在對低合金鋼進行較高級別的焊接強度時，焊接性能相比會很差，焊接過程容易出現冷卻裂縫問題，針對這種情況焊接時也選取合適的焊接工藝，對低合金材料進行焊前預熱和焊后回火，可以避免焊件較厚及焊后硬化的問題；中合金鋼和高合金鋼相比低合金鋼含有較多的合金元素，因此焊接性能較差，合金元素越多，焊接時產生裂縫的問題也越大，合金元素不同，焊接時會表現出不一樣的特點和問題，在對合金進行焊接時要充分考慮到這種金屬材料的特性，并采用與之對應的焊接工藝。

（三）鑄鐵

鑄鐵是一種焊接性能較差的金屬材料，因其進行焊接時，焊縫處的金屬的碳硅元素受到高溫影響容易出現燒損情況，焊縫處多出現氣孔和夾渣，焊接過程中不均勻的加熱或者冷卻會導致焊接位置出現白口組織和裂紋。

三、防止焊接變形的焊接工藝和措施

（一）依照合理的焊接順序施焊

依上文焊接應力及變形產生原因分析可見，焊接順序對于焊接變形會產生很大的影響，采用合理的焊接順序能夠有效控制焊接變形，了解焊接位置對變形產生的影響原理，利用不同時間，不同位置產生的焊接變形方向相反，大小相似，進行壓力抵消，從而防止焊件變形；焊件金屬縱向和橫向的收縮受限引起的焊接應力可通過詳細分析焊件結構特點以及焊縫的分布情況依據合理的焊接順序進行施焊來減小。進行焊接時，本著減少減少焊縫拘束原則，讓其進行自由收縮，從兩側至中間施焊，保證焊接順序、方向、方向以及施焊次序在結構和安排上做到對稱。減少變形因素的產生。

（二）采取剛性固定法

薄板焊接性能比較差，很容易出現焊接變形的情況，采用剛性固定法是當薄板面積大，焊縫比較長時，運用壓鐵方法，分別放在焊縫兩旁以減少焊接變形，剛性固定法，采用合理的組對組焊夾具，抵消兩側焊接時的壓力，將焊件固定起來進行施焊，增加了剛性，減少了變形因素。

（三）針對不同的金屬材料選用不同的焊接工藝

金屬材料不同，焊接性能會有很大的差別，因此在進行焊接時，首先要了解施焊對象的材料特點，焊接過程中容易出現的問題，并針對材料的特點和問題，合理選用焊接工藝，避免因為金屬材料因其的焊接變形。

四、結束語

綜上所述，焊接應力和變形對產品的質量和性能造成非常大的影響，能否控制好焊件變形，不光要了解金屬材質，還要了解施焊結構，了解其性能，采用合理的焊接工藝，從而提高焊接水平。

【參考文獻】

[1]劉星，茹高明，杜永彬.鋼結構焊接防變形措施的研究[J].鋼結構，2012，27S1：339-341.

[2]張慶生.焊件焊接應力分析及防變形的工藝措施[J].焊接技術，2011，4010：53-55.

[3]邵元金，閆君，楊玉超.焊接工藝對不銹鋼焊接變形的影響[J].焊接技術，2015，4404：80-81.

[4]史紅艷，付淵，齊全洪.薄壁深孔焊接件防變形加工工藝[J].機械管理開發，2013，01：91-92.