摘要：金属的连接大多数情况下是通过焊接，在金属结构在焊接过程中，由于受材料、方法、工作环境等因素的影响，另外，焊材受到局部加热而产生的不均匀温度场，极易产生焊接残余应力与变形。焊接残余应力与变形如果得不到合理控制，就会影响到焊接金属的质量，严重时还会出现裂纹，甚至产品报废。
关键字：控制；减小；焊接；残余应力；残余应变
通过分析焊接应力与变形的产生原因，我们得到了以预防为主的应力与变形综合控制思路。反对过分依赖焊后矫正的亡羊补牢式控制方法，以期避免焊后应力与变形矫正时的顾此失彼。此外，以焊接构件的生产加工顺序为主线，以严谨科学的理论分析的结论为指导，制订焊前―焊中―焊后的具体控制措施，应该不失为一条正确的控制应力与变形的思路，肯定更具有现实的可操作性。
1．焊接的残余应力和变形的形式和原因
1.1焊接残余应力产生的原因和形式
金属构件在焊接过程中，能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等，由于焊接热过程引起的应力和变形，就是焊接应力和焊接变形。焊后，当焊件温度降至常温，残存与焊件中的应力成为焊接残余应力，焊件不能恢复的变形就成为焊接残余变形。焊接时候金属的能量相对比较集中，造成构件的受热不均匀，导致焊接残余应力主要有纵向应力和横向应力两种形式的应力。
1.2焊接残余变形的产生原因和形式
由材料力学可知，应力产生变形，因此，残余的变形主要是由于残余应力产生的。残余应力造成的残余变形一般有以下几种形式：1）纵向变形，由不同的温度场和残余应力造成的纵向缩短。2）横向变形，由不同的温度场和残余应力造成的横向缩短。3）弯曲变形，由于焊缝不在中性轴上造成的。4）扭曲变形。焊件焊后两端绕中性轴相反方向扭转一个角度。5）角变形。焊后构件两侧钢板离开原来位置翘起一个角度的变形。6）波浪变形。一般在薄板焊接结构中产生，这种变形有两种原因：一种是薄板结构焊接时的纵向和横向压应力作用，使薄板失去稳定而造成波浪形的变形；另一种是由角焊缝的横向收缩引起的角变形。
2.影响焊接残余应力与变形的因素
2.1焊接的位置
根据焊接的位置不同也会对焊接的残余应力和变形有很大影响。焊缝在结构中布置不对称时，施焊后要产生弯曲变形，弯曲的方向是朝向焊缝数目多的那一侧。焊缝偏离焊件中性轴时，其变形将向焊缝所在的那一侧弯曲，而且离中性轴越远越容易产生弯曲变形。
2.2焊接结构的装配及焊接顺序
构件组成结构的顺序有很多种，焊接结构的装配及焊接顺序是否合理，对焊接残余应力与变形的影响很大，一般情况是对焊接结构总装后再进行焊接，这样可以使焊接结构刚性增加，减小焊后变形。但是，对于大型复杂结构件，有时可以分别装配焊接，然后再拼接成整体，使不对称的焊缝或收缩量较大的焊缝能
比较自由地收缩，组焊时对整体结构的影响就较小，从而控制焊后残余应力与变形。
2.3焊件的刚性
需要焊接的构件不同也会影响焊接的应力与变形，其中，焊件刚性的大小也是影响焊接残余应力与变形的因素，刚性越大，焊件结构越不易变形。
2.4焊接工艺参数
焊接工艺参数主要是指焊接电流和焊接速度，一般焊后残余应力与变形随着焊接电流的增大而增大，随着焊接速度的加快而减小。
2.5焊接材料的线膨胀系数
焊接是温度的变化很大，导致材料的变形很大，所以，焊接材料的线膨胀系数越大，其焊后变形也越大。另外，焊接方法、焊接方向、坡口形式和材料的自重等都对焊接残余应力与变形有一定影响。例如，焊接一条直长焊缝，采用同一方向从头焊到尾的方法，会使热量分布不均匀，焊件产生的内应力也不同，其焊缝越长，变形也就越大。若采用分段跳焊法，焊后变形就会小一些。
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3控制和减小焊接残余应力与变形的措施
3.1焊接结构的合理设计
合理的设计方案是控制焊接残余变形与应力的重要措施。在焊接结构的设计时要考虑：在保证结构有足够强度的前提下，尽量减小焊缝的数量和尺寸；对称布置焊缝；必要时预先流留出收缩余量；适当采用冲压结构，减少焊接结构；将焊缝布置在最大工作应力之外；留出装焊模夹具的位置等。
3.2控制焊接残余变形的工艺措施
采用不同的装配、焊接顺序，焊后会产生不同的变形效果。如工字梁的焊接，采用两种不同的装焊顺序，产生的变形效果不同。第一种先装配、焊接成丁字形，然后再装配另一块翼板，最后焊成工字梁。采用这种装焊顺序时，焊接丁字形结构时，由于焊缝分布在中性轴的下方，焊后将产生较大的上拱弯曲变形，即使另一块翼板焊后会产生的反向弯曲变形，也难以抵消原来产生的变形，最后工字梁将形成上拱弯曲变形。第二种先整体装配成工字梁，然后再进行焊接，此时梁的刚性增加，再采用对称、分段的焊接顺序，焊后上拱弯曲变形就小得多。这是一项先总装后焊接的控制结构焊后变形的工艺措施。
3.3焊件的结构设计要合理
根据之前说述，合理的焊接结构是控制和减小焊接残余应力与变形的基础和重要措施。因此，设计时一定要考虑以下几方面：在保证焊接结构有足够强度的前提下，尽量减小焊缝的数量和尺寸；尽量对称布置焊道；必要时预先留出收缩余量；将焊缝布置在最大工作应力之外；适当采用冲压结构减少焊接结构等。
3.4采用合理的装配和焊接顺序
结构的装配顺序对焊接的应力和变形有很大的影响，想要控制和减小残余应力和变形就需要，安排合理的装配顺序。例如，焊接工字梁时，采用先整体装配成工字梁。此时，梁的刚性增加。然后，采用对称、分段跳焊的焊接顺序，焊后上拱弯曲变形就小得多，反之将产生较大的变形；对称焊缝应采用对称焊接，不对称的应采用先焊焊缝少的一侧，后焊焊缝多的一侧，使后焊焊缝产生的变形足以抵消先前的变形，以使总体变形减小；结构中的长焊缝，采用连续的直通焊接将会造成较大的变形，而采用分段退焊和跳焊法，能有效地控制热量过于集中而产生的残余应力与变形。
3.5选择合适的焊接工艺参数及焊接材料
选择合适的焊接工艺参数也是有效地措施。选择焊接工艺参数时，应尽可能采用小直径焊条和较小的焊接电流，减少焊件受热范围，以减小焊接残余应力与变形。
3.6采用多种工艺方法
1）反变形法。焊前先使焊件向焊接变形相反的方向变形，来抵消焊接残余变形。具体来说塑性反变形法是运用外力使部件在焊接前已经具有型性变形，塑性变形方向和焊接残余变形相反，施加的塑性反变形值廊等于焊接构件残余变形数值。焊接构件部是在无刚性同定条件下进行的塑性反变形法虽然可以有效地消除变形，但是它增加了一道工序，加大了工艺的复杂性。在很多场合经济效益不是很高。
2）刚性固定法。焊前对焊件采取外加刚性约束，使其不能自由变形。对于低碳钢和塑性良好的低合金高强度钢米是一种比较简单的控制变形的方法，如果再配合其他控制变肜的措施，将使焊接构件的焊接变形控制在产品技术公差范围以内。但是刚性固定法并不是在所有情况下都能取得良好的效果。刚性固定法是将构件固定在具有足够刚性的平台或胎架上，待焊接构件上所有焊缝冷却到室温时再去除刚性固定。这叫焊接构件产生的变形将大大小于在自由状态下焊接的变形。
3）散热法焊接时，采用强迫冷却的方法将焊接区的热量带走，使受热区的面积大为减小，从而达到减小残余变形的目的。
4）预热法。焊前对焊接区域进行加热来减小焊接时的温度差，以使焊缝区与焊件整体尽可能地均匀冷却，从而减少残余应力与变形。
5）敲击法。在焊件冷却过程中，使它产生塑性变形，来抵消焊缝的一部分收缩量，起到减小焊接残余应力与变形的作用。
4结束语：
金属结构在焊接过程中,由于受焊接材料、焊接方法、工作环境等因素的影响,再加上焊材受到局部加热而产生的不均匀温度场,极易产生焊接残余应力与变形。焊接残余应力与变形如果得不到合理控制,就会使焊接产品质量下降,严重时还会出现裂纹,甚至产品报废。
参考文献：
[1]沈世瑶．焊接方法及设备(第三分册)[M]．北京：机械工业出版社．1982．
[2]杨圣文。汤勇．铜片一铜管的超声波焊接机理研究[J]．焊管，2005.28(5)：28-31．
论文作者:苏占君,郝福军,王建中
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/5/13
标签：应力论文; 残余论文; 结构论文; 刚性论文; 构件论文; 顺序论文; 弯曲论文; 《基层建设》2019年第5期论文;