浅谈焊接变形和应力的产生及预防
摘要 本文通过对焊件在焊接过程中产生变形和裂纹的原因进行
了分析,讨论如何防止和减少焊件在焊接后的变形和焊接应力,确
保焊件的结构尺寸和物理性能的稳定性。
关键词 焊接应力;焊接变形、焊接顺序、装焊顺序、反变形法、
刚性固定法、预热法、加热“减应区”法。
中图分类号 tg404文献标识码 a 文章编号
1674-6708(2010)16-0104-02
0 引言
焊接技术自1882年出现到如今已广泛应用在国民经济的各种领
域,对焊接技术的研究也是日新月异。其中很重要的一项就是如何
防止和减少焊件的变形和焊接应力。
1 产生变形和裂纹的原因
热胀冷缩是自然规律。金属在受热后就要膨胀,冷却时体积缩小,
不同金属或合金都有不同的线膨胀系数和收缩率。焊件在焊接加热
时的膨胀和焊后冷却的收缩大小,取决于不同金属的线膨胀系数和
温度的高低,以及不同金属的收缩率。它是影响焊件变形的裂纹的
一个因素,但主要的是在焊接过程中焊件温度分布的不均匀而产生
的内应力形成变形和破裂。尤其是在焊接过程中,焊件部位形成熔
池的焊缝金属和过热区与焊件其它部位温度相差悬殊。在焊接加热
时,高温金属的膨胀,受到周围低温金属的压缩应力的作用,而在冷
却的过程中高温金属收缩受到低温金属的牵制,又产生了拉应力致
使塑形金属焊件变形,脆性金属焊件破裂的主要原因。
2 焊接应力与变形的关系
在焊接过程中,焊件受到电弧不均匀的加热,受热区域的金属膨
胀程度也不同,此时产生的内应力及变形是暂时的,而焊接完毕待
焊件冷却后,剩余的内应力及变形就称为残余应力与变形,简称焊
件应力与变形。
1)焊接应力根据空间位置和相互关系可分3种:
(1)单向应力(如图1-1)。焊接薄板的对接焊缝及在焊件表面上堆
焊时,焊件存在的应力是单方向的。
(2)双向应力。在焊接较厚板时,焊件存在的应力虽不同向,但均
在一个平面内,即是双向的。
(3)三向应力:当焊接厚大焊件或在三个方面焊缝的交叉处,三向
应力都存在。单向应力对焊件的强度影响较小,而焊缝中存在的双
向应力和三向应力对焊件的强度及冲击值都有很大的影响。
2)焊接变形。焊接变形的种类很多,根据焊接变形对结构的影响
可分为整体变形和局部变形。整体变形包括纵向缩短、横向缩短、
弯曲变形及扭曲变形。局部变形包括角度变形、波浪变形。
在焊接结构中,焊接应力和变形往往是同时存在的,又是相互制
约的,要求的焊接结构既不存较大的残余变形,又不允许有大的焊
接应力的存在。
3 防止和减少焊接结构变形
3.1 选择合理的装焊顺序和焊接顺序
装焊顺序和焊接顺序对焊接结构变形的影响以工字钢焊接为例,
如图(4-4)
图(4-4)
图(4-4)是所示工字梁结构简图。如果按图(4-4d)所示边装边焊
的方法,由于焊t字接头时焊缝1、2都处在x-x的下侧,就会造成
整个结构长度方向发生上拱,当再装上1块上盖板后,在焊接3、4
缝时的整个工字梁的钢性增大,所以变形仍由1、2焊缝引起上拱。
如果按图4-4c所示总装后焊接的方法,由于焊缝1、2和3、4在焊
接的刚性基本上相互抵消,最后工字梁将保持平直的状态。
3.2 反变形法
对于厚度较小的板件,焊接时通常采用反变形法。反变形法就是
在焊前先将工件与焊接变形相反的方向进行人为的变形。如图(5-5)
以厚度8~12mm的钢板v形坡口单面对接焊为例
可以看出,图(5-5a)图中没有用反变形法的两块钢板焊接口两接
钢板形成角度为a的变形。而如图b所示将其变形的变形角提前反
向预留,则在焊后达到两块钢板平整的效果。
此种方法对角度a的预留量要根据板厚的尺寸相应制定。
3.3 刚性固定法
刚性固定法又称抑制法。这种方法就是根据焊件的结构、变形部
位及方向用夹具等强制固定的方法来防止焊件的变形。这种方法对
于焊接2mm以下厚度的薄板长焊缝非常有效。但注意的是 ,刚性固
定法虽然能显著减少变形,但却阻碍焊件的自由收缩,焊后将在结
构中出现较大的焊接应力。所以对易淬火变得硬脆的中碳钢及铸铁
焊件不易采用。
4 减少焊接应力的方法
焊接应力往往使焊件的许用应力降低,疲劳程度下降,故防止或
减小焊接应力在焊接工艺中极为重要。上面提到的合理选择装焊和
焊接顺序虽能减少一部分焊接应力,但对于一些焊件我们还得采用
其他的方法来尽量消除其焊接应力。在这里我着重讨论预热法和加
热“减应区”法。
1)预热法。这种方法是对焊件整体进行加热,一般加热到
150~350℃,其目的是减少焊接区和结构总体尽可能的均匀冷却,从
而减少内应力。这种方法对小型的脆性易裂的材料尤为适用。但预
热温度值应视金属材料、结构刚性、散热情况的不同而异。