羅毓彪

（十一冶建設(shè)集團(tuán)安裝公司加工廠 廣西柳州 545007）

引言

在中國制造向中國創(chuàng)造發(fā)展過程中，焊接已經(jīng)從傳統(tǒng)熱加工技術(shù)得到創(chuàng)新與改革，逐漸發(fā)展為集冶金、材料、結(jié)構(gòu)、電子機(jī)械等多門科學(xué)為一體的綜合性工程工藝類學(xué)科，在工藝制造加工、建筑建設(shè)施工、設(shè)備安裝等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此，就構(gòu)件加工中的焊而言，焊接質(zhì)量的好壞對(duì)整個(gè)構(gòu)建加工質(zhì)量、構(gòu)建精密度存在直接影響。而焊接質(zhì)量的好壞主要體現(xiàn)在焊接應(yīng)力與焊接變形上。對(duì)此，加強(qiáng)焊接應(yīng)力與焊接變形的研究，實(shí)現(xiàn)焊接應(yīng)力與焊接變形的科學(xué)管控，勢在必行。

1 焊接應(yīng)力與焊接變形

焊接應(yīng)力（welding stress and distortion）：在焊接過程中，在焊接熱源與焊接熱循環(huán)作用下，導(dǎo)致被焊工件在不均受熱情況下產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，被稱之為“焊接應(yīng)力”。通常情況下，當(dāng)焊接引發(fā)的不均勻溫度場沒有完全消失時(shí)，被焊工件產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力被稱之為“瞬態(tài)焊接應(yīng)力”；當(dāng)焊接引發(fā)的不均勻溫度場完全消失后，被焊接工件產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力被稱之為“殘余焊接應(yīng)力”[1]。就焊接殘余應(yīng)力而言，根據(jù)被焊工件內(nèi)應(yīng)力所在方位對(duì)，焊接應(yīng)力進(jìn)行劃分，通常情況下可將其劃分為如表1所示的幾種類型。

表1 焊接殘余應(yīng)力的類型與影響

焊接變形（welding deformation）：在焊接過程中，被焊工件在受到不均勻溫度場影響時(shí)，焊件的形狀、尺寸等將發(fā)生一定的變化，我們將這種變化稱之為“焊接變形”。通常情況下，在不均勻溫度場沒有全部消失時(shí)，隨著溫度變化而發(fā)生變化的變形可稱之為“焊接瞬時(shí)變形”；在不均勻溫度場完全消失后，焊接冷卻至初始溫度后的變形，可稱之為“焊接殘余變形”[2]?；诮?jīng)驗(yàn)總結(jié)與歸納，焊接變形類型與表現(xiàn)形式如表2所示。

表2 焊接殘余應(yīng)力的類型與影響

2 影響焊接應(yīng)力與焊接變形的因素

由焊接應(yīng)力與焊接變形內(nèi)涵分析可知，在焊接過程中導(dǎo)致被焊工件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力形成焊接應(yīng)力與焊接變形的根本原因在于焊接的不均勻受熱，以及不均勻受熱引導(dǎo)的構(gòu)建組織與性能的變化。而導(dǎo)致焊接過程中導(dǎo)致不均勻受熱現(xiàn)象產(chǎn)生的因素，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）焊縫橫截面積：焊縫橫截面積主要是對(duì)焊件在焊接過程中，其熔合線范圍內(nèi)金屬面積的統(tǒng)稱。通常情況下，焊縫面積越大其所形成的焊接殘余應(yīng)力也就越大，主要原因在于焊縫金屬在受熱后由固態(tài)變?yōu)橐后w，在冷卻后由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)時(shí)，體積進(jìn)行收縮，加之焊縫金屬與母材之間存在密切關(guān)聯(lián)性，對(duì)此將導(dǎo)致焊縫殘余應(yīng)力與變形問題的產(chǎn)生。由于焊縫橫街面積對(duì)縱向變形、橫向變形、角變形存在的影響相同，因此在板厚相同時(shí)，收縮變形與板坡口尺寸存在密切關(guān)聯(lián)性。

（2）焊接方法：通常情況下，所選用的焊接方法不同，在焊接過程中所需要的焊接熱量也不同，對(duì)此基于不均勻溫度場作用，所形成的焊接變形也不同。

（3）焊接熱量輸入情況：在焊接過程中，當(dāng)輸入的熱量過大時(shí)，其加熱高溫區(qū)范圍也就越大，所需要冷卻的時(shí)間也就越大，產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的機(jī)率也就越大，焊接頭的塑性變形區(qū)域可能就越大[3]。

（4）焊接層數(shù)：通常情況下，多層多道焊接產(chǎn)生的焊接頭變形要小于單層焊接。主要原因在于：多層多到焊接的單層熱輸入量要小于一次單層焊接的熱輸入量，所需加熱的范圍要小，因此冷卻速度相對(duì)較快，所產(chǎn)生的收縮變形相應(yīng)要小，且上一層的焊道會(huì)對(duì)下一層帶來一定的約束作用，進(jìn)一步減小焊縫變形。

（5）焊縫接頭形式：在焊接過程中，當(dāng)焊縫截面積、熱量輸入情況等相一致時(shí)，不同的接頭形式對(duì)焊縫變形的影響也不同。就表面堆焊而言，堆焊過程中焊縫金屬的橫向變形相對(duì)較小，原因在于：加熱僅存在于焊縫金屬表面，焊縫橫向收縮過程中會(huì)受到板厚、母材等的約束，從而所產(chǎn)生的橫向變形相對(duì)要??；就對(duì)接接頭而言，在單焊過程中，由于坡口角度相對(duì)較大，在焊接過程中板厚上層收縮量與下層收縮量也存在差異性，對(duì)此其所產(chǎn)生的橫向收縮變形要大于比堆焊所產(chǎn)生的橫向收縮變形。

3 焊接應(yīng)力與焊接變形控制措施與策略——以鋼結(jié)構(gòu)焊接為例

以鋼結(jié)構(gòu)焊接為例，建議采用如下措施與策略實(shí)現(xiàn)焊接應(yīng)力與焊接變形的有效控制。

3.1 焊接應(yīng)力的控制措施與策略

控制焊接應(yīng)力的方法有很多，較為常用的方法主要有以下幾種：

（1）采用振動(dòng)時(shí)效法消除焊接殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)焊接應(yīng)力的有效控制。即應(yīng)用偏心輪與變速電動(dòng)機(jī)構(gòu)成激振器根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)外形特征以及產(chǎn)生應(yīng)力的實(shí)際情況，在應(yīng)力產(chǎn)生部分給予適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)，從而使鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)構(gòu)建內(nèi)部殘余應(yīng)力的有效消除，提升構(gòu)建結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（2）利用間斷焊接法進(jìn)行焊縫應(yīng)力的有效控制。例如，在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行電弧冷焊的過程中，對(duì)焊縫進(jìn)行短時(shí)間多次數(shù)焊接，讓構(gòu)建始終處于冷卻狀態(tài)，從而降低熱源過鋼結(jié)構(gòu)性能的影響，實(shí)現(xiàn)焊接應(yīng)力的有效控制。該方法的缺點(diǎn)在于所需焊接工期相對(duì)較長，但焊接應(yīng)力控制效果相對(duì)較好。

（3）對(duì)焊縫尺寸進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，合理安排焊縫焊接順序。即，在焊接過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況與要求適當(dāng)?shù)臏p小焊縫尺寸、焊縫坡口角度，從而降低焊縫橫截面積對(duì)焊縫應(yīng)力與焊縫變形存在的影響。同時(shí)，在焊縫設(shè)計(jì)過程中，避免焊縫應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生，可盡量采用雙面焊接坡口的形式進(jìn)行焊接實(shí)踐操作。此外，在焊接過程中應(yīng)遵循“先焊中間，后焊周邊”的原則，進(jìn)行實(shí)踐操作。例如，在鋼板拼接時(shí)，應(yīng)該先對(duì)相互錯(cuò)開的短焊縫進(jìn)行有效焊接，在進(jìn)行長焊縫的焊接。在焊接長焊縫時(shí)，應(yīng)從中間向兩端進(jìn)行依次收縮。

（4）在焊接過程中應(yīng)適當(dāng)減小焊縫焊接的拘束度，并對(duì)復(fù)雜焊接工藝進(jìn)行分解施工。一般情況下，給予焊接構(gòu)件的約束力越大，在焊接過程中構(gòu)件所產(chǎn)生的焊接應(yīng)力也就越大。對(duì)此，在焊接過程中，需根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，適當(dāng)?shù)慕档秃缚p處的約束力。例如，在對(duì)長構(gòu)件進(jìn)行焊接時(shí)，應(yīng)避免在組裝過程中進(jìn)行焊縫焊接，同時(shí)進(jìn)行板條拼接時(shí)需嚴(yán)格依據(jù)拼接工藝要求進(jìn)行實(shí)踐操作，并在焊縫焊接過程中，避免不能自行收縮問題的產(chǎn)生。在多大型構(gòu)件進(jìn)行焊接時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)構(gòu)建進(jìn)行科學(xué)分解焊接，用以提升焊接簡便性與準(zhǔn)確性[4]。

3.2 焊接變形的控制措施與策略

關(guān)于焊接變形的有效控制：①應(yīng)從焊接設(shè)計(jì)階段入手，根據(jù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)形態(tài)、焊接要求等進(jìn)行焊接施工科學(xué)設(shè)計(jì)。在此過程中應(yīng)對(duì)不同焊接類型及其表現(xiàn)形式、特點(diǎn)具有準(zhǔn)確的認(rèn)知，從而選擇隨適宜的焊接形式進(jìn)行焊接，科學(xué)控制焊縫尺寸，做到焊縫數(shù)量最少、尺寸最小、構(gòu)件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響最低。②科學(xué)選擇焊縫位置，在焊接過程中可根據(jù)焊縫坡口形態(tài)，選擇相適宜的焊接方法，將焊縫位置控制在構(gòu)件截面對(duì)稱位置或者是構(gòu)件或截面中性軸位置，避免焊縫位置出現(xiàn)在高應(yīng)力區(qū)域范圍內(nèi)。此外，根據(jù)焊接需求科學(xué)選擇焊接方法，盡量選用快速焊接法或者是熱源較為集中的焊接法進(jìn)行操作。

4 結(jié)論

總而言之，實(shí)現(xiàn)焊接應(yīng)力與焊接變形的有效控制，對(duì)提升焊接質(zhì)量，促進(jìn)焊接工藝優(yōu)化發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)此，在實(shí)際焊接操作過程中，相關(guān)工作人員需明確認(rèn)知焊接應(yīng)力與焊接變形影響因素，根據(jù)現(xiàn)場條件與焊接要求、焊接結(jié)構(gòu)采用行之有效的焊接方法與控制措施，實(shí)現(xiàn)焊接應(yīng)力與焊接變形的有效控制，提升焊接科學(xué)性、準(zhǔn)確性、精準(zhǔn)性。

[1]郭鎮(zhèn)渤，王登峰.軌道車鋼結(jié)構(gòu)件焊接變形的原因分析及控制措施[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018（16）：218.

[2]張恩宇.焊接變形的控制及預(yù)防措施探究[J].現(xiàn)代鹽化工，2018，45（02）：98～99.

[3]史 慧.鋼結(jié)構(gòu)焊接變形和焊接應(yīng)力控制分析[J].四川水泥，2017（12）：321+330.

[4]王剛，王海飛.關(guān)于焊接變形和焊接應(yīng)力的探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（12）：115.