手工电弧焊焊接应力与变形原因危害

摘 要：本文针对焊件在焊接过程中产生变形的原因进行分析,并讨论如何预防和减少焊件在焊接后的变形和焊接应力,确保焊件焊接后尺寸和性能的稳定性.

关 键 词：焊件金属组织膨胀系数残余应力

焊接过程中产生变形的原因,一是在焊接时对焊件局部高温加热甚至达到熔化状态,随后快速冷却结晶而造成焊件应力集中、焊后变形及金属组织的变化,失去了焊件的结构尺寸和物理性能的稳定性；再就是焊接工艺方法、焊接参数及施焊方法、焊接材料的热物理性能等选择不当所产生的焊接应力与变形.

手工电弧焊是一门重要的金属加工技术,目前尽管焊接技术发展很快,自动化程度也越来越高,但手工电弧焊仍占有不可替代的地位,有很多操作是目前自动化无法替代的.

手工电弧焊由于焊接后必然会产生焊接内应力和变形,如果在操作前不对产生内应力和变形原因进行分析及不采取针对措施,就会给焊接后的产品带来一定的危害.

一、焊接产生的应力和变形原因分析

由于手工电弧焊在焊接过程中产生较高的热量,使焊件在焊接过程中受热不均匀,造成焊缝金属材料短时间内急剧膨胀和收缩,产生大量的内应力,改变了焊件的金相组织和刚性.焊接工艺的选择（如焊接电流的大小、焊接顺序先后、焊接速度快慢及焊接层数等）不同,也会产生不同程度的焊接应力和变形.为便于了解焊接应力与变形的产生,笔者进行以下几方面讨论.

一是由于焊接时焊件局部受到不均匀加热而产生的温度场,使焊缝高温区的材料膨胀量较大,而受到周围温度低、膨胀系数较小的材料限制又不能自由膨胀；焊缝热影响区以外的大部分金属不受热,也不会膨胀,于是材料内部就会产生阻止变形的抗力.这样不受热的金属部分限制了焊缝热影响区金属的膨胀和收缩,从而在焊件焊接区产生了内应力,使高温区的材料在受到挤压时产生局部压应变.在冷却过程中,受压缩应变的材料不能自由收缩而受到拉伸.由于一条焊缝是随着不断加热和冷却逐步形成的,焊缝中先结晶的部分和热影响区外的材料要阻止后结晶部分的收缩,于是在焊件中又出现了与焊缝加热时方向大致相反的内应力,因焊缝金属的膨胀系数不同,又不能自由收缩,因而引起焊缝中产生焊接应力和焊接变形.在冷却后,焊件上还有存在的应力,即残余应力；有不能恢复的变形,即残余变形,其大小和分布取决于工件的尺寸、形状、焊接热输入量和材料本身的线膨胀系数、导热系数、屈服极限、密度等物理性能.

二是在焊接加热和冷却的热循环过程中,熔池区的温度高达1500℃以上,受热金属在高温下剧烈变化,其物理性能和化学性能也随之产生相应的变化.钢在加热及冷却过程中发生相变,由于得不到相同体积的组织,因此也会产生焊接应力与变形.

三是焊接材料的刚性和拘束对焊接应力和变形也有较大的影响.刚性是指焊件在焊接过程中抵抗变形的一种能力；而拘束是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小,焊接变形越大而应力越小；反之,焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大,则焊接变形越小而应力越大.

四是不同的金属材料在导热性能、热膨胀系数、表面散热系数、比热容等热物理性能不同产生的应力与变形不同.使用不同的焊接方法（如焊条电弧焊、气焊、气体保护焊、等离子弧焊、电阻焊、埋弧焊等）所产生的应力与变形也不同.不同形状的焊件会形成不同的焊接温度场,而且焊件的刚度和拘束度也不同,因此所产生的焊接应力与焊接变形也不同.还有焊接参数、焊缝位置、焊缝数量、焊缝长度、施焊方法,均对焊接应力与变形产生不同的影响.

二、焊接时产生的应力和变形危害分析

1.焊接应力造成的危害性

焊接应力是造成焊接热裂纹、冷裂纹及再热裂纹的原因之一.如发现宏观裂纹的焊接结构,则需要进行返修或报废.而在腐蚀介质中工作的焊接构件,如果具有拉伸残余应力,就会使构件产生应力腐蚀开裂的应力脆断.由于存在焊接应力,降低了焊接结构的承载能力,所以当焊接应力超过材料的屈服点时,将会使材料的塑性受到损失.具有焊接应力的焊接构件,如果进行焊后机械加工,则会破坏构件内应力的平衡,引起焊接构件的变形,影响加工尺寸的不稳定性.

2.焊接变形造成的危害性

焊接变形的危害在某种程度上比应力的危害要大,由于焊件的变形导致构件尺寸及形状的技术指标的精度超差,降低了焊接结构的装配质量及承载能力.对此需要将发生变形的构件进行矫正,因此浪费大量的工时及材料.当焊件变形过大,而且难以矫正时,就会导致产品的报废.

在手工电弧焊生产加工过程中,操作者要精心设计,尽量避免焊接应力与变形的产生.