焊接應(yīng)力變形的產(chǎn)生原因與控制措施

1、焊接應(yīng)力變形的產(chǎn)生原因與控制措施無錫威孚力達(dá)催化凈化器有限責(zé)任公司王習(xí)宇摘要近年來，汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，各主機(jī)廠在提升產(chǎn)量的同時，對于產(chǎn)品質(zhì)量的要求也大幅提高。為應(yīng)對巨大的市場沖擊，我們威孚力達(dá)應(yīng)采取相應(yīng)措施，來迎接機(jī)遇和挑戰(zhàn)。目前我司焊接向著自動化、集成化、高精度、高質(zhì)量的方向發(fā)展，如何采取措施減小金屬構(gòu)件在焊接工序中發(fā)生的應(yīng)力與應(yīng)變，從而提高焊接工序的精度以及產(chǎn)品的總體質(zhì)量，有著十分重要的現(xiàn)實意義。本文主要敘述了焊接應(yīng)力變形與控制方法。關(guān)鍵詞威孚力達(dá)焊接變形焊接應(yīng)力產(chǎn)生原因控制措施隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，焊接技術(shù)在汽車工程中得到大量的應(yīng)用，焊接工件尤其是法蘭焊接變形也成為人們密切關(guān)注的焦

2、點。在焊接過程中，焊接殘余應(yīng)力和焊接變形會嚴(yán)重影響制造過程、焊接結(jié)構(gòu)的使用性能、焊接接頭的抗脆斷能力、疲憊強度、抗應(yīng)力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂能力。焊接變形在制造過程中也會危及外形與公差尺寸，使制造過程更加困難，當(dāng)出現(xiàn)題目時還需采取一些費時耗資的附加工序來進(jìn)行彌補，不僅增加本錢，還可能出現(xiàn)由此工序帶來的其他不利因素。因此，要得到高質(zhì)量的焊接結(jié)構(gòu)必須對這些現(xiàn)象嚴(yán)格控制。焊接應(yīng)力分析熔化焊接時，被焊金屬在熱源作用下發(fā)生局部加熱和熔化，材料的力學(xué)性能也會發(fā)生明顯的變化，而焊接熱過程也直接決定了焊縫和熱影響區(qū)焊后的顯微組織、殘余應(yīng)力與變形大小，所以焊接熱過程的正確計算和測定是焊接應(yīng)力和變形分析的條件。因

3、此在焊接過程的模擬研究中，只考慮溫度場對應(yīng)力場的影響，而忽略應(yīng)力場對溫度場的作用。同時，非線性、瞬時作用以及溫度相關(guān)性效應(yīng)等也會妨礙正確描述在各種情況下產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，并使同一系統(tǒng)化的工作很難完成。為使其簡單化，實際中常用焊接性的概念作為一種分類系統(tǒng)，將焊接分解為熱力學(xué)、力學(xué)和顯微結(jié)構(gòu)等過程，從而降低了焊接性各種現(xiàn)象的復(fù)雜性。圖1所示的工藝基礎(chǔ)將焊接性分解為溫度場、應(yīng)力和變形場以及顯微組織狀態(tài)場。這種分解針對焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的數(shù)值分析處理很有價值。在狹義上，焊接性又可理解成所要求的強度性能。影響強度性能的主要因素又包括化學(xué)成分、相變顯微組織、焊接溫度循環(huán)、焊后熱處理、構(gòu)件外形、負(fù)載條件以

4、及氫含量等。顯微組織的轉(zhuǎn)變不僅決定于材料的化學(xué)成分，也決定于其受熱過程（特別是與焊接有關(guān)的過程），特別是它在焊接接頭的熱影響區(qū)和熔化區(qū)的影響更加引人留意。在焊接過程中，由于焊件局部的溫度發(fā)生變化，產(chǎn)生應(yīng)力變形。進(jìn)而導(dǎo)致了構(gòu)件產(chǎn)生變形。因此，通過對焊接結(jié)構(gòu)及焊接變形的分析，通過對焊接工藝焊件結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面采取有效措施，從而提高焊接質(zhì)量。一、焊接應(yīng)力與焊接變形的產(chǎn)生原因焊接應(yīng)力，是焊接構(gòu)件由于焊接而產(chǎn)生的應(yīng)力。焊接過程中焊件中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和焊接熱過程引起的形狀和尺寸變化。焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因。焊接應(yīng)力和變形在一定條件下會影響

5、焊件的功能和外觀，因此是設(shè)計和制造中必須考慮的問題。圖1MIG/MAG焊示意圖1.1焊件的不均勻受熱（1）對構(gòu)件進(jìn)行不均勻加熱，在加熱過程中，只要溫度高于材料屈服點的溫度，構(gòu)件就會產(chǎn)生壓縮塑性變形。冷卻后，構(gòu)件就會有殘余應(yīng)力。（2）焊接過程中焊件的變形方向與焊后焊件的變形方向相反。（3）焊接加熱時，焊縫及其附近區(qū)域?qū)a(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻時壓縮塑性變形區(qū)要收縮。（4）焊接過程中及焊接結(jié)束后，焊件中的應(yīng)力分布是不均勻的。焊接結(jié)束后，焊縫及其附近區(qū)域的殘余應(yīng)力通常是拉應(yīng)力1.2焊縫金屬的收縮焊縫金屬冷卻時，當(dāng)它由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時，其體積要收縮。由于焊縫金屬與母材是緊密聯(lián)系的。因此，焊縫金屬并不能自由

6、收縮，這將引起整個焊件的變形,同時在焊縫中引起殘余應(yīng)力。另外，一條焊縫是逐步形成的，焊縫中先結(jié)晶的部分要阻止后結(jié)晶部分的收縮，由此也會產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形。1.3金屬組織的變化金屬在加熱及冷卻過程中發(fā)生相變，可得到不同的組織，這些組織的比容不同，由此也會造成焊縫應(yīng)力與變形。1.4焊縫的剛性和拘束焊縫的剛性和拘束，對焊件應(yīng)力和變形也有較大的影響。剛性是指焊件抵抗變形的能力。而拘束是焊件周圍物體對焊件變形的約束。剛性是焊件本身的性能，它與焊件材質(zhì)，焊件截面形狀和尺寸有關(guān)，而拘束是一種外部條件，焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越小，則焊接變形越大，而焊接應(yīng)力越小。焊接變形的控制措施及消除方法二、控制焊

7、接應(yīng)力與變形的措施焊接以后留下一定的殘余應(yīng)力是不可避免的，但是可以通過恰當(dāng)?shù)墓に嚧胧┙o予一定程度的控制。使之危害盡可能減小?？刂苾?nèi)應(yīng)力的方法有多種，但其基本原則只有一個，就是緩和對焊縫收縮的制約，通常采用的工藝措施有：采用合理的焊接次序。是盡量使焊縫能比較自由的收縮，尤其是對那些收縮比較大，殘余應(yīng)力比較大的焊縫。預(yù)熱法。由于被焊工件各部位的溫差越大，焊縫的冷卻速度越快。則焊接接頭的殘余應(yīng)力就越大。預(yù)熱既能減小工件各部位的溫差，又能減緩冷卻速度。它是降低焊接殘余應(yīng)力的有力措施之一。消除焊接應(yīng)力的方法，消除焊接應(yīng)力的方法有：熱處理法、機(jī)械法和振動法。2.3.1熱處理方法包括：整體熱處理和局部熱處理

8、。將整個構(gòu)件放在爐中加熱到一定溫度，然后保溫一段時間再冷卻。通過整體高溫回火可以將構(gòu)件中80%-90%的殘余應(yīng)力消除掉，這是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛、效果最好的一種消除殘余應(yīng)力的方法。2.3.2機(jī)械法，錘擊焊縫法在焊縫的冷卻過程中，用圓頭小錘均勻迅速地錘擊焊縫，使金屬產(chǎn)生塑性延伸變形，抵消一部分焊接收縮變形，從而減小焊接應(yīng)力和變形。振動法，構(gòu)件承受變載荷應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值，經(jīng)過多次循環(huán)加載后，結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力逐漸降低，即利用振動的方法可以消除部分焊接殘余應(yīng)力。振動法的優(yōu)點是設(shè)備簡單、成本低。時間比較短，沒有高溫回火時的氧化問題，已在生產(chǎn)上得到一定應(yīng)用。三、矯正焊接變形的方法，當(dāng)前矯正焊接變形的方法有兩種

9、：一是機(jī)械矯正法即根據(jù)理論計算和實踐經(jīng)驗，預(yù)先估計結(jié)構(gòu)焊接變形的方向和大小，然后在焊接裝配時給予一個方向相反、大小相等的預(yù)置變形，以抵消焊后產(chǎn)生的變形；二是火焰矯正法即通過火焰局部加熱方法來造成塑性變形已達(dá)到矯正的目的。四、新型焊接技術(shù)CMT焊接一一降低熱輸入由于CMT焊接方法具有更快的焊接速度，更好的搭橋能力，更小的變形，更均勻一致的焊縫，并且無飛濺等優(yōu)點，拓展了普通MIG/MAG焊所不能涉及的領(lǐng)域。其主要用用領(lǐng)域體現(xiàn)在：目前CMT技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車、家電、航空航天等行業(yè)。在工程機(jī)械行業(yè)，焊接以結(jié)構(gòu)件中厚板和薄板件的焊接為主。結(jié)構(gòu)件焊接追求高焊接效率，對焊接變形要求一般，通常以MAG焊和CO2氣保焊為主。薄板件的焊接，如駕駛室、郵箱、覆蓋件等，逐漸摒棄以往的氣體保護(hù)焊，轉(zhuǎn)向汽車行業(yè)薄板件的加工模式以沖壓成型、電阻電焊為主，但是弧焊的工作量依然很大。在變形要求小、連接強度要求高、異種金屬的焊接場合，CMT焊接工藝還是具有廣闊的應(yīng)用前景。CMT技術(shù)焊縫成形美觀，無飛濺對于薄板焊接也是很適合的。比如CMT的無飛濺焊接可以嘗試在油箱上應(yīng)用，以提高油箱的清潔度。此外，工程機(jī)械行業(yè)還存在部分齒輪件的焊接，焊接變形要求高，采用CMT焊接工藝是一個相對經(jīng)濟(jì)的選擇?？偟膩碚f，在工程機(jī)械行業(yè)，CMT焊接技