淺議焊接應(yīng)力及焊接變形關(guān)系

1、淺議焊接應(yīng)力及焊接變形關(guān)系摘要：在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造過程中，焊接應(yīng)力和變形是 必須考慮的因素，而在各種書籍中都是分別討論產(chǎn)生的原 因、影響因素、控制方法和消除方法，這就給學(xué)習(xí)和使用者 帶來一定的困惑，不能把他們放在一起考慮，理解偏頗經(jīng)常 顧此失彼。實(shí)際上焊接應(yīng)力與變形成對李生，互為因果，為 此弄清它們之間的關(guān)系，才能更好地理解與指導(dǎo)實(shí)踐。關(guān)鍵詞：焊接應(yīng)力與變形拘束熱輸入屈服強(qiáng)度 關(guān)系力的概念是在工程實(shí)踐中建立的，可以通過力的作用效 果感受它的存在。我們將力使物體的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變的效 應(yīng)稱為外效應(yīng)；我們將力使物體發(fā)生的形狀的變化的效應(yīng)稱 為內(nèi)效應(yīng)。作為焊接結(jié)構(gòu)中的力學(xué)問題研究的是力的內(nèi)效 應(yīng)，

2、當(dāng)材料變形時(shí)，桿件內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生了用來抵抗變形、 企圖使材料恢復(fù)原狀的抵抗力，這種因外力作用而引起構(gòu)建 內(nèi)部之間的相互作用力，簡稱內(nèi)力。外力越大，內(nèi)力隨著增 大，變形也就越大，當(dāng)內(nèi)力超過一定強(qiáng)度極限時(shí)，桿件就會 被破 壞。桿件在外力作用下，單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力; 桿件非外力作用下，單位面積上的內(nèi)力稱為內(nèi)應(yīng)力。對于金 屬材料構(gòu)件當(dāng)所受應(yīng)力大于等于屈服強(qiáng)度，構(gòu)件就會產(chǎn)生塑 性變形并且不能回復(fù)；當(dāng)所受應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，構(gòu)件就會 產(chǎn)生塑性變形，因此工程上常用應(yīng)力衡量構(gòu)件受力的強(qiáng)弱程 度。一、焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因通常，我們把焊接時(shí)不均勻加熱看成產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變 形的根本原因，焊接應(yīng)力與變形是由

3、多種因素交互作用而導(dǎo) 致的結(jié)果，如材料因素、工藝因素和結(jié)構(gòu)因素等。若僅就其 材料本身的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)引起的內(nèi)拘束條件影響而 言，焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因可表述如下：焊接熱輸入引 起材料不均勻加熱，使焊縫區(qū)熔化，在熱傳導(dǎo)作用下致使焊 接接頭形成了高溫區(qū)，材料的發(fā)生熱膨脹則受到周圍母材形 成的低溫區(qū)域的限制，產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性變形；在冷卻 過程中已產(chǎn)生的壓縮塑性變形的這部分材料又受到周圍材 料的限制而不能自由收縮，不同程度上又被拉伸而卸載；與 此同時(shí)熔池凝固金屬冷卻收縮也產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力與變形，也 就是高溫焊縫區(qū)受到拉應(yīng)力，在焊接接頭區(qū)產(chǎn)生了縮短的不 協(xié)調(diào)應(yīng)變。與焊接接頭區(qū)產(chǎn)生的縮短不協(xié)調(diào)應(yīng)變

4、相對應(yīng)在構(gòu)件中 會形成自身相平衡的內(nèi)應(yīng)力，即為焊接應(yīng)力。焊接接頭區(qū)金 屬在冷卻到較低溫度時(shí)，材料恢復(fù)到彈性狀態(tài)；此時(shí)若有金 屬組織變化，則伴隨體積變化出現(xiàn)相變應(yīng)力。二、焊接應(yīng)力與變形關(guān)系的闡述在焊接過程中，焊縫金屬在熱膨脹過程中受到處于相對 低溫區(qū)的母材金屬的內(nèi)拘束和結(jié)構(gòu)外拘束，不能夠自由膨脹 而產(chǎn)生壓應(yīng)力，壓應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度時(shí)，這樣就產(chǎn)生了壓縮 塑性變形，隨著變形量的增加，焊接應(yīng)力減小，焊接變形成 了應(yīng)力的釋放形式，由于材料還未成為完全塑性材料，在材 料內(nèi)部還會產(chǎn)生壓縮彈性變形，為使整個構(gòu)件平衡，接頭高 溫區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力，母材低溫區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力。在焊接接頭冷卻過程中，產(chǎn)生壓縮塑性變形的焊縫區(qū)由

5、于不能恢復(fù)到原來狀態(tài)，要縮短，由于內(nèi)外拘束條件的限制, 焊縫金屬產(chǎn)生了拉應(yīng)力，屈服點(diǎn)卻隨溫度的降低而升高，因 此焊縫產(chǎn)生了一定量的拉伸應(yīng)變，并未完全拉伸而卸載，即 焊接拉應(yīng)力在焊縫拉伸過程中有所減小，當(dāng)減小到屈服點(diǎn)以 下就以彈性應(yīng)變的方式存在于焊接構(gòu)件當(dāng)中，即產(chǎn)生拉應(yīng) 力，為平衡與此構(gòu)件當(dāng)中產(chǎn)生了的焊接壓應(yīng)力，最終整個構(gòu) 件在一拉一壓應(yīng)力作用下平衡了，且構(gòu)件面積變小。由此可見焊接應(yīng)力與變形總是成對出現(xiàn)，在焊接應(yīng)力、 溫度和屈服強(qiáng)度的對比的條件下相互轉(zhuǎn)化，溫度升高，屈服 強(qiáng)度降低，變形增加，焊接應(yīng)力減??；反之，屈服強(qiáng)度降低, 變形減小，焊接應(yīng)力增加。三、防止焊接應(yīng)力與變形的措施在了解焊接應(yīng)力與變

6、形原因和關(guān)系的基礎(chǔ)之上，采取措 施控制應(yīng)力與變形總的原則是控制應(yīng)力，就得增加焊接結(jié)構(gòu) 的變形量；控制變形，就得增加焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，這就根據(jù) 結(jié)構(gòu)的具體條件而定，主要從以下三個方面入手。從原因上控制金屬材料的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、焊接熱輸 入著眼，設(shè)計(jì)上采用塑性好的金屬材料作為焊接結(jié)構(gòu)材料； 用其他結(jié)構(gòu)代替焊接結(jié)構(gòu)；采取工藝措施配合低的焊接熱輸 入，縮小不均勻加熱的程度；在滿足使用條件的前提下，盡 量減小焊縫的數(shù)量和尺寸，比如斷續(xù)焊代替連續(xù)焊，盡量不 開坡口等；合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終減少焊接構(gòu)件的內(nèi)外拘束 條件，以求產(chǎn)生的焊接應(yīng)力最小，焊接變形也隨之減少。從焊接過程中控制裝配焊接順序、焊接材料的選擇、

7、裝 夾條件、施焊順序，施焊工藝等，影響構(gòu)件的受熱不均勻程 度、焊接接頭的拘束狀態(tài)，焊縫的受熱變化的條件，進(jìn)而影 響焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生和相互轉(zhuǎn)化。從焊后消除應(yīng)力熱處理把金屬構(gòu)件加熱到力學(xué)熔點(diǎn)以 上，屈服點(diǎn)急劇降低接近于零，讓應(yīng)力釋放產(chǎn)生應(yīng)變，把焊 接應(yīng)力消除80%-90%；還是火焰矯正變形時(shí)利用局部加熱 至力學(xué)熔點(diǎn)之上而未發(fā)生相變的溫度區(qū)，如鋼600 °c 800°c,讓構(gòu)件產(chǎn)生較大的壓縮塑性變形，進(jìn)而在快速冷卻 過程中產(chǎn)生較大的收縮變形以矯正焊接變形等，都是建立在 焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因和轉(zhuǎn)化關(guān)系的把握之上。四、結(jié)論焊接熱輸入的不均勻產(chǎn)生的壓縮塑性變形是產(chǎn)生焊接 應(yīng)力與變形的根本原因；工藝因素和結(jié)構(gòu)因素構(gòu)成焊接應(yīng)力 和變形產(chǎn)生的外部拘束條件；在焊接過程中隨著內(nèi)外拘束條 件的增加，壓縮塑性變形增加，焊接應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，反 之焊接應(yīng)力增加，焊接應(yīng)力以拉應(yīng)力為主；控制焊接應(yīng)力與 變形的轉(zhuǎn)換關(guān)系應(yīng)從屈服強(qiáng)度和焊接應(yīng)力的對比中入手。參考文獻(xiàn)1 中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會焊工