本站原创摘 要：在焊接结构设计和制造过程中,焊接应力和变形是必须考虑的因素,而在各种书籍中都是分别讨论产生的原因、影响因素、控制方法和消除方法,这就给学习和使用者带来一定的困惑,不能把他们放在一起考虑,理解偏颇经常顾此失彼.实际上焊接应力与变形成对孪生,互为因果,为此弄清它们之间的关系,才能更好地理解与指导实践.
关 键 词：焊接应力与变形拘束热输入屈服强度关系
力的概念是在工程实践中建立的,可以通过力的作用效果感受它的存在.我们将力使物体的运动状态发生改变的效应称为外效应；我们将力使物体发生的形状的变化的效应称为内效应.作为焊接结构中的力学问题研究的是力的内效应,当材料变形时,杆件内部质点之间产生了用来抵抗变形、企图使材料恢复原状的抵抗力,这种因外力作用而引起构建内部之间的相互作用力,简称内力.外力越大,内力随着增大,变形也就越大,当内力超过一定强度极限时,杆件就会被破 坏.杆件在外力作用下,单位面积上的内力称为应力；杆件非外力作用下,单位面积上的内力称为内应力.对于金属材料构件当所受应力大于等于屈服强度,构件就会产生塑性变形并且不能回复；当所受应力小于屈服强度,构件就会产生塑性变形,因此工程上常用应力衡量构件受力的强弱程度.
一、焊接应力与变形产生的原因
通常,我们把焊接时不均匀加热看成产生焊接应力与变形的根本原因,焊接应力与变形是由多种因素交互作用而导致的结果,如材料因素、工艺因素和结构因素等.若仅就其材料本身的物理性质和力学性质引起的内拘束条件影响而言,焊接应力与变形产生的原因可表述如下：焊接热输入引起材料不均匀加热,使焊缝区熔化,在热传导作用下致使焊接接头形成了高温区,材料的发生热膨胀则受到周围母材形成的低温区域的限制,产生不均匀的压缩塑性变形；在冷却过程中已产生的压缩塑性变形的这部分材料又受到周围材料的限制而不能自由收缩,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也产生相应的应力与变形,也就是高温焊缝区受到拉应力,在焊接接头区产生了缩短的不协调应变.
与焊接接头区产生的缩短不协调应变相对应在构件中会形成自身相平衡的内应力,即为焊接应力.焊接接头区金属在冷却到较低温度时,材料恢复到弹性状态；此时若有金属组织变化,则伴随体积变化出现相变应力.
二、焊接应力与变形关系的阐述
在焊接过程中,焊缝金属在热膨胀过程中受到处于相对低温区的母材金属的内拘束和结构外拘束,不能够自由膨胀而产生压应力,压应力大于屈服强度时,这样就产生了压缩塑性变形,随着变形量的增加,焊接应力减小,焊接变形成了应力的释放形式,由于材料还未成为完全塑性材料,在材料内部还会产生压缩弹性变形,为使整个构件平衡,接头高温区产生压应力,母材低温区产生拉应力.
在焊接接头冷却过程中,产生压缩塑性变形的焊缝区由于不能恢复到原来状态,要缩短,由于内外拘束条件的限制,焊缝金属产生了拉应力,屈服点却随温度的降低而升高,因此焊缝产生了一定量的拉伸应变,并未完全拉伸而卸载,即焊接拉应力在焊缝拉伸过程中有所减小,当减小到屈服点以下就以弹性应变的方式存在于焊接构件当中,即产生拉应力,为平衡与此构件当中产生了的焊接压应力,最终整个构件在一拉一压应力作用下平衡了,且构件面积变小.
由此可见焊接应力与变形总是成对出现,在焊接应力、温度和屈服强度的对比的条件下相互转化,温度升高,屈服强度降低,变形增加,焊接应力减小；反之,屈服强度降低,变形减小,焊接应力增加.
三、防止焊接应力与变形的措施
在了解焊接应力与变形原因和关系的基础之上,采取措施控制应力与变形总的原则是控制应力,就得增加焊接结构的变形量；控制变形,就得增加焊接结构的应力,这就根据结构的具体条件而定,主要从以下三个方面入手.
从原因上控制金属材料的选择、结构的设计、焊接热输入着眼,设计上采用塑性好的金属材料作为焊接结构材料；用其他结构代替焊接结构；采取工艺措施配合低的焊接热输入,缩小不均匀加热的程度；在满足使用条件的前提下,尽量减小焊缝的数量和尺寸,比如断续焊代替连续焊,尽量不开坡口等；合理的结构设计,最终减少焊接构件的内外拘束条件,以求产生的焊接应力最小,焊接变形也随之减少.
从焊接过程中控制装配焊接顺序、焊接材料的选择、装夹条件、施焊顺序,施焊工艺等,影响构件的受热不均匀程度、焊接接头的拘束状态,焊缝的受热变化的条件,进而影响焊接应力与变形的产生和相互转化.
从焊后消除应力热处理把金属构件加热到力学熔点以上,屈服点急剧降低接近于零,让应力释放产生应变,把焊接应力消除80％-90％；还是火焰矫正变形时利用局部加热至力学熔点之上而未发生相变的温度区,如钢600℃～800℃,让构件产生较大的压缩塑性变形,进而在快速冷却过程中产生较大的收缩变形以矫正焊接变形等,都是建立在焊接应力与变形产生的原因和转化关系的把握之上.
四、结论
焊接热输入的不均匀产生的压缩塑性变形是产生焊接应力与变形的根本原因；工艺因素和结构因素构成焊接应力和变形产生的外部拘束条件；在焊接过程中随着内外拘束条件的增加,压缩塑性变形增加,焊接应力以压应力为主,反之焊接应力增加,焊接应力以拉应力为主；控制焊接应力与变形的转换关系应从屈服强度和焊接应力的对比中入手.