关键词：焊接结构件；焊接变形；控制途径
引言
在机械制造业中，尤其在石油装备制造中，如抽油机、钻井等设备，近一半以上的工作量是结构件的焊接，焊接作为重要的加工工艺，在生产制造过程中发挥着不可替代的作用。但是在实际操作的现场，由于受到环境温度、结构件温度、焊工的技术水平、焊接方法等条件的影响，使得焊接制造和焊接生产中焊接接头会出现瞬间变形和瞬态热应力。据统计，在制造业中每年因为焊接应力所带来的损失已经高达千万元以上，甚至还会对人们的生命安全造成危害。因此，在工业制造中对焊接结构件焊接变形的重视程度越来越高，为了更好的保障工业生产安全，已经发展成为当下必须解决的重要问题。
1焊接应力与焊接变形的定义
1）焊接应力:钢材在焊接过程中，焊件部位会因为焊接时的局部高温产生不均匀的温度场。高温时，有一部分钢材会产生很大的膨胀和伸长，但由于受到邻近钢材的约束影响，会在焊件内部产生较大的收缩应力。在焊接的过程中，这种收缩应力伴随着焊接时间的变化和温度的升降变化不断的改变，而这种收缩应力就被定义为焊接应力。2）焊接变形：焊接构件在焊接及逐渐冷却的过程中，由于焊接构件局部受热且受热不均匀，同时焊接构件冷却也不均匀，因此焊接构件不仅会产生焊接应力，还会产生各种变形。这种焊件产生的变形，被称为焊接变形。
2焊接变形的形成及产生的影响
2.1焊接变形的形成
在焊接作业时，产生的热过程是十分复杂的。而工件焊接工艺的选择直接影响着工件的受热问题。如果焊接工艺选择的不合理，直接会加剧整个工件受热不均匀问题，导致工件内应力分布不均匀，使工件发生严重的变形，影响工件的质量导致无法正常使用。首先，在焊接作业时都是进行局部受热的，也就是说，只有在进行焊接的区域会受到加热，产生热量输入。对于其他区域来讲，会出现能量的消耗。而这种局部的加热会直接导致焊接残余应力和焊接变形。其次，焊接中热过程是瞬时性的。热量在金属材料中的传播速度极快，因此在焊接过程中，热源是高度集中的，以实现在短时间内将大量的热量供给工件，这就使焊接过程中的热过程具有时变性和非稳定特性。最后，焊接过程中热源是相对运动的。在焊接过程中，焊接热源会随着工件的位置变化而发生变化，这也在很大程度上加剧了焊接热源的不稳定性。
2.2焊接变形产生的影响
对于工件来讲，在没有受到外力的作用下内部的应力是平衡的。但当对工件进行焊接操作时，就会使工件受热发生膨胀，冷却发生收缩，这也就是热胀冷缩原理。因此，在受热和冷却中温度所发生的变化会使得工件发生变形，而工件的变形主要是在焊接过程中热应力分布不均匀引起的。在焊接处，与焊缝方向相同的残余应力叫作纵向应力，而垂直于焊缝方向的残余应力叫作横向应力。而在工件中若有残余应力的存在，就会对工件产生很多负面影响。首先，对静载荷的影响。在焊接构件中，当纵向拉伸的残余应力较高时，可以拉近某些材料的屈服强度。当受到外在工作应力时，同方向的应力会进行相互叠加，就会使该区域发生变形，导致工件不能继续承载外力，使焊接构件的有效承载面积减少。其次，对刚度的影响。在焊接构件中，如果内应力方向与外载荷方向是一致的，当受到外载荷作用时，焊接工件的刚度就会下降。并且焊接工件所发生的变形在卸载之后是无法进行恢复的。最后，对杆件压稳定性的影响。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由于焊接的残余应力均匀的分布在工件内部，因此，在焊接构件的截面上会同时有压应力和拉应力。当焊接构架承受外载荷时，外加的应力与焊接件截面上的压应力进行叠加，会使焊接构架压应力区先达到屈服强度，导致焊接构件减少承载能力。
3焊接变形的控制措施
3.1设计措施
1）焊缝要对称布置，连接处要平滑。当焊接不同宽度或者是厚度的焊件时，防止截面出现突变而产生过大的应力集中现象，可以采用一定的坡度过渡的方法。2）焊接要避免焊缝过分集中，或者是多个方向的焊缝都相交于一点，如出现前两种情况，相交处会形成多向同号应力场，这样就会使得钢材变脆；通常采用主要焊缝连续通过而次要焊缝断开的构造方法来防止多方向焊缝相交的现象发生。3）尽量减小焊缝的数量及其尺寸，采用适宜的焊脚尺寸和长度。搭接角焊缝焊接时，要避免焊接热量集中现象，应该采用细长焊缝，而不能用粗短焊缝。4）在搭接连接中不能只有一条正面角焊缝传力，要求搭接长度不小于薄板厚度的5倍或者是25毫米。5）要尽量避免在母材厚度方向有收缩应力。6）焊缝要合理布置位置，避免仰焊
3.2焊接工艺
1）采用合理的焊接方向和顺序。结构对称时，采用对称焊法。当焊缝较多且较集中时，采用跳焊法分散受热防止集中受热。大于1米的长焊缝，采用分段退焊法。2）先焊接膨胀大的焊缝，后焊膨胀小的焊缝。先焊短缝，后焊长缝，使得焊缝有足够大的横向收缩空间。3）为保证受力较大的焊缝在焊接后有一定的伸缩空间，应先焊受力较大的主要焊缝，后焊受力较小的次要焊缝。4）反变形法。为了减小焊接变形，可以在焊接之前预留一个与焊接变形相反的预变形。5）预热。焊接之前，先将焊件整体或者是局部加热到100—300℃，并且在焊接后保持100—300℃一定时间，通过这种方法可以降低焊缝温度变化的不均匀程度，也就降低了温度变化产生裂纹的危险。6）高温回火（退火）。在焊接后要用高温回火的方法来减少焊接变形。高温回火的方法是把焊接构件加热到600—650℃左右，并且要保持一段时间后缓慢地冷却。如果是较小的焊接构件，可以对整个焊接构件进行高温回火，由于加热达到的温度已经达到了钢材的热塑温度，钢材基本上变形很小，也就是消除了大部分的焊接变形；如果是较大的焊接构件，对整个焊接构件高温回火不方便，只能对焊缝附近的部位或者是焊接应力较大的部位用局部高温回火的方法，同样也可以减少焊接变形。
结语
综上所述，在机械制造业进行日常的焊接工作时，影响焊接结构将发生变形的因素很多，而焊接结构架变形也是众多因素共同作用的结果。因此，在焊接环境合适的情况下，适当地调整焊接规范和焊接工艺可以减少焊接结构件的变形量。其次，焊接作业人员也要在不断的作业实践中总结经验，不断地对焊接工艺进行完善和优化，使我国制造工业的装焊技术和焊接工艺的水平再上一个新台阶，为机械工业企业带来给好的经济效益和发展空间，促进我国机械工业的发展。
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论文作者:宋建义 王晓传
论文发表刊物:《科学与技术》2020年1期
论文发表时间:2020/4/29
标签：应力论文; 工件论文; 构件论文; 残余论文; 发生论文; 过程中论文; 高温论文; 《科学与技术》2020年1期论文;