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1、手弧焊应力及变形分析摘 要本文主要针对手弧焊施焊过程中出现 的应力及变形情况进行讨论，分析了应力和变形的产 生、影响及其产生的原因，并提出了建设性的预防和 处理措施，希望能够对手弧焊实训教学和工业生产中 的相关技术人员提供帮助。关键词 手弧焊 焊接应力 焊接应变 原因分析 处理措施中图分类号：TQ66515文献标识码：A文章编号:1009-914X（2015）47-0327-01引言手弧焊在焊接实训教学和工业生产中，具有非常 重要的地位。但在施焊过程中，焊件中的残余应力和 焊接变形却一直困扰着广大工程技术人员。因此，本 文从应力和变形的产生及危害、产生原因分析、预防 和处理等几个角度，全方位的
2、对手弧焊中的应力和变 形现象做了较为深入的分析。一、应力及变形的产生与影响大量的研究表明，当焊件受热不均时，会在局部 产生应变，当热源离开时，焊件温度将恢复到原来的 状态，由于在工件内部发生了不可逆变形，因而产生 了内应力，称之为残余应力。残余应力的产生会直接 影响焊件的承载能力，进而引起裂纹和脆断。如果焊 件工作在腐蚀性介质中，还会产生应力腐蚀裂纹。焊接时工件局部在加热后又冷却的过程中，因受 热不均、各个部位的受热膨胀与冷却收缩会产生差异， 故工件会产生焊接变形。这样的焊接变形轻者将达不 到产品的设计要求，影响工件的形状、尺寸精度；重 则影响工件的装配，导致工件的报废。如果变形可以 通过矫正
3、来改善的话，也将增加生产成本。同时因变 形产生的附加应力，还降低工件的承载能力。二、产生的原因分析1、焊件受热不均焊接加热过程为局部加热，当焊缝及其附近区域 的温度高于材料屈服点的温度时，其将产生压缩塑性 变形。焊后冷却时压缩塑性变形区要收缩，这样该区 域与焊件之间将产生残余的拉应力。而且焊接前后， 这样的应力分布是不均匀的，如果该应力超出一定限 制，将导致焊件的开裂。2、焊缝与母材的收缩焊缝熔池冷却时，因其由液态转变为固态，必然 带来体积的收缩。由于焊缝与母材紧密相连，焊缝的 收缩并非自由收缩， 这样将引起焊件的变形。 再一个， 焊缝是随着焊条的行进方向逐渐形成的，这样先结晶 部分将会对后结
4、晶部分产生阻碍作用，由此也会带来 焊接应力和变形。另外，因焊缝中的合金成分与母材的合金成分会 有差异，这样焊缝的收缩率与母材的收缩率也会存在 差异，因此在焊件中也会形成残余应力和焊接变形。3、金属的组织转变 焊接加热过程和冷却过程中，会伴随着奥氏体与 铁素体之间的组织转变，因两种组织的致密度存在差 异，于是带来焊接前后体积的变化，这样也可能会引 起焊件的变形，这也是焊件产生应力及变形的根本原 因。4、焊件的约束 焊件的材质决定了其刚度的差异，对于刚度比较 大的焊件，在焊接过程中其刚度会限制焊件的变形， 进而会产生焊接应力。另外，如果焊件被夹持在胎具 或者夹具中，由于胎具或夹具的限制，焊件也不能
5、自 由的伸缩，这样也会产生焊接应力。5、焊缝截面积的影响 焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。该面 积越大，冷却收缩时引起的塑性变形量就越大，因此 对于坡口的尺寸应加以控制。 另外，焊接热输入越大， 焊缝热影响区就会越大，同样会增大塑性变形区。6、焊接接头和焊接层数 不同的接头形式会对焊接结构产生不同的变形， 以 T 形角接接头为例，其焊缝横向收缩值与角焊缝面 积成正比，与板厚成反比，其对焊件的变形影响如图 1 所示。另外焊接层数对焊件的影响也不容忽视，在 多层焊时，每一焊层对下一焊层都会形成约束，进而 产生焊接应力。三、预防及处理措施1、焊接结构的设计 在焊接结构的设计之初，应尽可能减少焊
6、缝的数 量和尺寸，而且坡口的设计也要尽可能减少焊缝金属 的填充量。如果有多条焊缝，则焊缝间应保持足够距 离，尽可能避免焊缝过于集中和交叉。焊接接头的设 计上，要尽量采用小接头。在焊件的拉应力区，应尽 可能保持其连续性。2、焊接工艺的制定 焊接方向的选择上，应尽可能保证焊缝纵向和横 向的收缩自由，比如施焊时可以考虑从中间向两端焊 接。焊接顺序的制定上，对于收缩量较大的焊缝尽可 能先焊，这样其收缩阻力相对较小，比如当结构上既 有对接焊又有角接焊时，应先焊对接焊缝。此外可以 考虑对称施焊，即 2 人以上同时施焊，使焊缝相互制 约，不产生整体变形。另外，焊接线能量也是一个重 要参数，在保证焊接质量的前
7、提下，尽可能采用较小 的线能量，以减小焊件的变形程度。3、反向加载及机械法对于约束度较大的焊缝，可以采用反变形法来减 小约束力，这种反向加载措施减少了焊接应力。另外 可以采取焊后锤击等机械手段来降低内应力，锤击时 保持匀速，使工件产生塑性延伸变形，抵消焊缝冷却 后承受的局部拉应力。对于一些不宜采用锤击法消除 残余应力的焊件，可以通过抛丸的方法，利用钢丸均 匀敲击焊件来消除应力。4、焊前预热与焊后热处理焊前预热是减少焊接应力的最有效方法，将工件 完整的预热一遍，不仅可以减少焊缝区域与母材的温 度差，而且可以起到焊后缓冷的目的，这样可以有效 的减少焊接应力和焊接变形的发生。另外，焊后热处 理也是最
8、常用最有效的消除焊接应力的方法；焊后退 火是将焊后工件均匀加热并保温，然后缓冷；通常被 加热的焊件随着温度的升高，强度下降，当强度下降 到小于焊接应力时，工件将产生局部塑性变形，从而释放残余应力。5、焊接变形的矫正当焊件已经发生弯曲或扭曲且超出设计要求时， 就必须采取矫正措施。常用的焊接变形矫正方法有机 械矫正、火焰矫正和混合矫正。矫正原则是先总体、 后局部，先主要、后次要，先下部、后上部，先主件、 后次件。具体实施方案要根据实际情况合理选择。结论在手弧焊的施焊过程中，焊接应力和焊接变形的 控制是保证焊接质量的重要因素。但因焊接材料多种 多样、焊接结构千差万别、焊接环境复杂多变，我们 在制定控制措施时，就要根据现场情况，适当调整焊 接结构的设计、合理选择焊接工艺并结合已有的经验 进行具体问题具体分析，并且要在实践过程中、不断 总结不断积累，以提高控制手弧焊应力及变形的技术 水平。参考文献1 许志安，焊接实训 M ，北京：机械工业出版 社， 2014.2 雷世明，焊接方法与设备 M ，北京：机械工 业出版社， 2014.3 邓洪军，金属熔焊原理 M ，北京：机械工业出版社， 2014.作者简介程志东，硕士研究生，研究方向：焊接。