杨阳 张金华 陈亚江
中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111
金属结构在常温下是稳定的,但是在焊接过程中,受热部位会产生焊接应力和变形,这种情况如不采取措施控制,产品质量将得不到保证,甚至使产品报废。为有效的控制由于焊接热过程引起的应力和变形,对焊接应力产生的原因和形成焊接变形的基本规律进行分析,并提出相应的控制措施。 随着科技的进步和工业的发展,各种焊接机械和焊接方法日新月异,但在施工过程中,由于焊接过程产生的内应力,引起了焊件变形,严重影响了工程质量、工程进度和焊接的使用性能。因而,应采取必要措施,通过分析焊接结构和焊接变形,焊接工艺和焊接结构设计等,提高焊接质量。
一、焊接应力的产生及危害
焊接过程中焊接件热量传输的不平衡产生不均匀的温度场，使材料产生不均匀的膨胀与收缩，从而形成内应力场。此外，焊件在热循环的作用下，焊缝内部金属组织发生变化，产生相变应力。持此之外，刚性固定以及焊接件之间相互关联，也会产生焊接应力。室温下，残存于焊接件中的内应力影响焊接结构的力学性能、受压稳定性、尺寸稳定性和加工精度等。
二、焊接应力与焊接变形产生的原因
1、焊件不均匀受热
焊接整体在焊接时温度是不均匀的,焊接部分温度高,膨胀量大,同一焊体中,其他部位温度低,膨胀量小,受此影响,在焊件内出现内应力,使温度区的材料受到挤压,产生局部压应变。在冷却过程中,已经形成压应变的材料,由于不能自由收缩而受到拉伸,于是焊件中又出现与焊接加热时方向大致相反的应力。
2、焊缝金属的收缩
当焊缝金属由液态变为固态时,此时由于受冷,体积收缩,而焊缝金属与母材料是一体的,这便限制了焊体的收缩,这种情况将使整个焊件变形,而且在焊缝中会引起残余应力。
（1）金属组织的变化
由于构成焊件组织的比体积不同,当焊件受热或遇冷时,会使焊接应力和变形。加热及冷却过程中发生金相组织变化
（2）焊件的刚性和拘束
刚性是指焊件抵抗变形的能力。拘束是指焊件周围物体对焊件变形的约束。焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大,焊件变形越小,焊接应力越大。
三、防止和减小焊接变形和应力的措施
1、焊接结构的合理设计
避免焊接残余变形与应力,需采用合作的设计方案。在焊接结构设计时要考虑到以下事项:焊缝数理和尺寸是引起焊接变形与应力的因素之一,因此,在保证结构有足够强度的基础上,应减少其数理、尺寸。在特殊情况下,预留适当收缩余量及使用冲压结构也是有效措施。
2、合理选择焊接规范合理选择焊接规范，对减少焊件变形影响很大。如随着电流强度的增加，焊件变形相应增大。为了尽量焊接过程中的热影响，根据实际情况，合适的情况下采用小直径焊条和小电流焊接，可以减少焊接残余应力。
3、消除焊接应力的方法
（1） 热处理法
整体热处理：消除应力的程度主要决定于材质的成分、组织、加热温度和保温时间。低碳钢及部分低合金钢焊接构件在650度，保温20~40h，可基本消除全部残余应力。局部热处理：大型焊接结构，受加热炉的限制或要求不高时采用这种方法。可采用火焰、红外、电阻、感应等加热方式，应保持均匀加热并具有一定的加热宽度。低合金高强钢，一般在焊缝两侧各100-200mm。
（2）机械锤击法
在长焊缝焊接过程中，趁着焊缝和堆焊层在赤热状态，用手锤敲打，可以抵消焊缝的收缩和减少内应力，减小或矫正变形。锤击施焊部位，可以提高金属的机械性能和耐蚀性。
延展性能较好的金属，采用这个方法效果较好。对于底层和表面层的焊缝一般不锤击。锤击时必须注意选择合适的温度范围。比如钢铁材料温度在300°C-500°C时有蓝脆性，也不能进行锤击。铝加热到400°C-500°C时，强度几乎丧失，此时，锤击会损坏焊件。含磷高的钢铁材料，冷态锤击时也易产生裂纹。
（3）振动时效法
振动时效作为目前比较常用的一种时效方式，已经越来越多的应用于各个机械制造行业。振动时效适用于碳素结构钢、低 合金钢、不锈钢、铸铁、有 色金属等材质的焊接结构；可插在任何工序之间多次处理；几十米长、数百吨重、上千条焊缝的工件都可适用。具有低能耗、短周期、无污染等优点。
4、控制焊接残余变形的工艺措施
（1）选着合理的装焊顺序
采用不同的装配、焊接顺序,焊后会产生不同的变形效果。简单的焊件可以采用先总装后焊接的控制结构焊后变形的工艺措施。对于结构较复杂的焊件,一般不能整体装配焊接,而是要将构件适当的分成若干部件,分别装配、焊接,最后组焊成整体,这要处理,即使是收缩量大、不对称的焊缝也可以自由收缩,不影响整体效果。
（2）采取合理的焊接顺序
对称焊接:如焊接结构的焊缝是对称的,首选对称焊接不对称焊缝:焊缝少的先烤焊,这样可以减少焊缝产生的变形采用不同的焊接顺序:对于长焊缝,采用连续的直通焊,会造成较大的变形。因此要采用不同的焊接顺序来控制变形。其中分段退焊法、分中分段退焊法、跳焊法和交替焊法,常用于长度为1m以上的焊缝;长度为0. 5-1m的焊缝可用分中对称焊法。
（3）反变形法根据理论计算和实践经验,先根据焊件的结构,估计可能会产生的变形方向与大小,在焊接装配时,加装一个预置变形,预置变形的大小要与结构焊接变形的一样,方向相反,加装这个是为了抵消焊后所产生的变形。
（4）刚性固定法焊接时将焊件加以刚性固定,焊完后让焊件冷却,定型后去刚性固定,以防止角变形与波浪变形。
（5）此法是在焊接时将焊区里的热量强迫带走,从而使温度骤降,焊件受热面积减少,可最大程度的减少变形。并非所有材料都适用于散热法,如淬硬倾向较高的材料。
5、焊接变形的控制及矫正方法
（1）刚性加固法
刚度大的焊件，焊后变形一般都较小。因此，施焊前如果加强焊件的刚性，则可防止被焊件在焊接时产生变形。对于壁厚小于等于2mm的薄壁零件和折断零件的焊接，常需加以刚性固定，以防变形或错位。固定的方法有很多形式，有时采用专用的焊接夹具，有时点焊固定在刚性工作台上，有时利用焊件本身构成刚性结构。
（2）反变形法
预加反变形法是根据经验和焊件金属性质，预先凭经验估计出焊修后发生变形的方向和收缩量，在焊修前，将工件用机械方法预先使焊件向相反方向变形，或将焊件布置成相反的位置，使焊修后的变形恰好和预变形抵消，达到所需要的正常状态。
（3）合理控制焊接线能量
焊接线能量是一个非常重要的参数，对焊接变形有着明显的影响。焊接过程中，线能量的提高会导致变形程度的增大。所以在保证焊接质量的前提下，选择尽可能小的线能量。因此恰当的焊接坡口形式尤为重要。在保证焊接质量的前提下，破口应尽可能小，甚至不开坡口，比如超窄间隙的焊接，线能量很小，热输入小，很好地控制了焊接变形。
（4） 矫正法
整体热矫正是指将整体构件加热至锻造温度以上再进行矫正的方法,可用以消除较大的形状偏差。但是焊后整体加热容易引起冶金方面的副作用,限制了该方法的进一步推广及应用。局部热矫正多采用火焰对焊接构件局部加热,在高温处,材料的热膨胀受到构件本身刚性制约,产生局部压缩塑性变形,冷却后收缩,抵消了焊后部位的伸长变形,达到矫正目的,火焰加热法采用一般的气焊焊炬,不需要专门的设备,方法简便灵活,因此在生产上广为应用。
四、结束语
在实际生产中,焊接变形和焊接应力的产生还有很多复杂的原因,但只要了解了焊接工艺,采用合理的焊接方法和控制措施,在实践中积累经验,总结工作,综合的考虑分析各方面因素,使焊接的质量能够得到保证。