焊接应力与变形控制的分析
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摘要：由于焊接时高度集中的瞬时热输入，焊接过程中工件上的应力和变形会发生很大的变化，从而在焊接结构中产生残余应力和变形。焊接残余应力和焊接变形会严重影响制造过程和结构性能。所以掌握焊接应力与变形的规律、作用与影响，采取措施控制或消除焊接残余应力和变形，对于焊接结构的完整性设计和制造工艺方法的选择以及运行中的安全评定等是十分重要的。
关键词：焊接残余应力；焊接变形; 影响因素；控制措施
1. 焊接应力和变形的产生
1.1焊接应力和变形产生的机理
焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区熔化；而与熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制，产生不均匀的压缩塑性变形；在冷却过程中，已经发生压缩塑性变形的这部分材料又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，在不同程度上又被拉伸而卸载；与此同时，熔池凝固，金属冷却收缩时也产生相应的收缩拉应力与变形，产生不协调应变，焊接应力和变形就这样产生了。
1.2影响焊接应力和变形的因素
1.2.1材料因素的影响
材料对于焊接变形的影响不仅和焊接材料有关,而且和母材也有关系,材料的热物理性能参数和力学性能参数都对焊接变形的产生过程有重要的影响。其中热物理性能参数的影响主要体现在热传导系数上,一般热传导系数越小,温度梯度越大,焊接变形越显著。力学性能对焊接变形的影响比较复杂,热膨胀系数的影响最为明显,随着热膨胀系数的增加焊接变形相应增加。
1.2.2制造因素的影响
焊接工艺对焊接变形的影响方面很多,如焊接方法、焊接输入电流电压量、构件的定位或固定方法、焊接顺序、焊接胎架及夹具的应用等。在各种工艺因素中,焊接顺序对焊接变形的影响较为显著,一般情况下,改变焊接顺序可以改变残余应力的分布及应力状态,减少焊接变形。多层焊以及焊接工艺参数也对焊接变形有十分重要的影响。
1.2.3结构因素的影响
焊接结构的设计对焊接变形的影响最关键,也是最复杂的因素。其总体原则是随拘束度的增加,焊接残余应力增加,而焊接变形则相应减少。结构在焊接变形过程中,工件本身的拘束度是不断变化着的,因此自身为变拘束结构,同时还受到外加拘束的影响。一般情况下复杂结构自身的拘束作用在焊接过程中占据主导地位,而结构本身在焊接过程中的拘束度变化情况随结构复杂程度的增加而增加。因此,在结构设计时针对结构板的厚度及筋板或加强筋的位置数量等进行优化,对减小焊接变形有着十分重要的作用。
2.焊接变形的控制措施
2.1设计措施
2.1.1合理地选择焊接的尺寸和形式
焊接尺寸直接关系到焊接工作量和焊接变形的大小。焊缝尺寸大,不但焊接量大,而且焊接变形也大,因此,在保证结构的承载能力的条件下,设计时应尽量采用较小的焊缝尺寸。对于受力较大的丁字接头和十字接头,在保证相同的强度条件下,采用开坡口的焊缝可以比一般角焊缝减少焊缝金属,对减小变形有利。
2.1.2尽可能减少不必要的焊缝 ，
在设计焊接结构时,合理地选择筋板的形状,适当地安排筋板的位置,力求焊缝数量少,避免不必要的焊缝,从而减小焊接变形。
2.1.3合理地安排焊缝位置
在设计焊接结构时,安排焊缝尽可能对称于截面中性轴,或者使焊缝接近中性轴,这对于减少梁、柱等类型结构的挠曲变形有良好的效果。
2.2工艺措施
工艺措施是指在焊接构件生产制造过程中所采用的一系列措施,将其分为焊前预防措施、焊接过程中的控制措施和焊后矫正措施。
2.2.1焊前预防措施
焊前预防主要包括预防变形、预拉伸法和刚性固定组装法。
预变性法或称反变形法是根据预测的焊接变形大小和方向,在待焊工件装配时造成与焊接残余变形大小相当、方向相反的预变形量(反变形量),焊后焊接残余变形抵消了预变形量,使构件恢复到设计要求的几何形状和尺寸。
预拉伸法多用于薄板平面构件,焊接时在薄板有预张力或有预先热膨胀量的情况下进行的。焊后,去除预拉伸或加热,薄板恢复初始状态,可有效地降低焊接残余应力,控制焊接变形。预热的作用在于减小温度梯度,不同的预热温度在降低残余应力的作用方面有一定的差别,预热温度在300 ℃～400 ℃时,在钢中残余应力水平降低了30 %～50 %,当预热温度为200 ℃时,残余应力水平降低了10 %～20 %。
刚性固定组装法是采用夹具或刚性胎具将被焊构件尽可能地固定,可有效地控制待焊构件的角变形与弯曲变形等。
2.2.2焊接过程控制措施
焊接过程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接规范参数,选择合理的焊接顺序以及采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施。选择线能量较低的焊接方法以及合理地控制焊接规范参数可以有效地防止焊接变形。采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施可以降低残余应力和减小焊接变形。采用随焊两侧加热,横向应变、纵向应变和最大剪切应变的分布更加均匀,变化更加平缓,起到减小焊接残余应力和变形的作用。随焊碾压法由于设备复杂、使用不便等原因,在生产应用中受到一定的限制,但该方法在提高焊接变形等方面具有理想的效果。随焊激冷法能够显著地降低残余应力和减少焊接变形。
焊接顺序对焊接残余应力和变形的产生影响较大,在采用不同的焊接顺序时,可以改变残余应力的分布 规律 ,但对残余应力整体幅值的降低作用不大,同时该方法对于控制焊接变形有较大的作用,尤其在多道焊中,作用更加明显。
结束语
综合分析上述焊接变形的产生机理与减小焊接变形的措施,基本了解焊接变形的原因及变形的种类,针对焊接变形的原因和控制措施从焊接工艺等方面进行改进,有效防止减少焊接变形所带来的危害。
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