论文部分内容阅读
[摘 要]目前我国不锈钢在焊接时存在很多缺点，比如焊接结构件变形、焊接质量差、使用性能低等。为进一步改善焊接加工工艺，本文将重点分析不锈钢薄板焊接应力与变形产生的原因，详细阐述如何才能有效控制不锈钢焊接应力与变形应该采取的措施。
[关键词]焊接应力；焊接变形；不锈钢薄板；控制
中图分类号：TG457.11 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）41-0065-01
引言
在“十二五”期间，我国的航空航天、核电、风电等高端产业得到了快速的发展，而这些产业的发展都离不开大型、重型加工设备，而大部分加工设备都是由不锈钢构成的。近些年来，随着不锈钢薄板的广泛应用，薄板不锈钢的焊接也日益重要，其焊接变形也严重影响了焊接质量，主要的变形包括横向收缩、纵向收缩、弯曲变形等，因此有效控制不锈钢焊接应力与变形的技术是至关重要的。
一、不锈钢焊接应力与变形控制措施分析的意义
随着我国高端产业的迅速崛起与发展，大重型加工设备的应用越来越广泛，带动不锈钢产业的发展。然而不锈钢焊接过程中容易出现焊接应力和焊件变形的现象。因此为了降低生产成本，提高企业的工作效率，提高企业受益，深入研究不锈钢焊接应力与变形控制措施分析是非常有必要的。
现在意义上的不锈钢焊接过程指的是，通过对焊件局部区域加热，然后再冷却凝固。需要注意的是焊接过程中，焊件如果会受热不均匀，将会带来很多麻烦，其会通过诸多因素，例如：在热源周围的金属运动在一定程度上会受到结构因素、材料因素、制造因素的内拘束度以及外拘束度的影响。从而导致焊件产生收缩或膨胀，从而使焊件内部产生焊接应力与变形。常见焊接应力包括横向应力、纵向应力等，常见焊接变形包括横向收缩变形、纵向收缩变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形等等。因此，在焊接过程中，深入研究不锈钢焊件的应力与变形产生的原因，并找出有效控制不锈钢焊接应力与变形的措施，从更大程度上提高产品的质量，减少材料浪费，提高企业工作效率是非常必要的。
二、不锈钢薄板焊接应力与变形产生的原因
1、焊件的不均匀受热
焊件的焊接是一种局部加热的过程，温度分布特别不均匀，当焊缝或周围区域加热到熔化状态或接近熔点的时候，远离焊缝的区域温度并不高，甚至很低。在焊接时，加热区的金属在周围金属的拘束作用下，不能自由的热胀冷缩，当焊件拘束度较大或较小时都会使焊件上各点的受热膨胀与冷却收缩的程度不一致，焊接应力与变形就比较容易产生。
2、焊缝金属的收缩
一般来说，由于物体热涨冷缩的缘故，焊缝的金属会因冷却而体积缩小，但是，焊缝金属紧紧地连着母材，不能自由伸缩，会导致焊后焊件的变形，尤其对于不锈钢来说，其线膨胀系数比较大，变形程度也相对比较大，同时焊缝处会产生残余应力。还会出现焊缝先结晶部分会组织后结晶部分的收缩，导致焊件产生焊接应力与变形。
3、焊件抵抗变形的能力和周围物体对焊件变形的约束
焊件的刚性也就是说焊件抵抗变形的能力因周圍的拘束程度的变化而变化。拘束是指周围物体对焊件变形的约束，周围的拘束程度越大，焊接变形越小、焊接应力越大，反过来当拘束程度越小的时候，则焊件变形变大，焊接应力会减小。
4、焊接工艺参数的影响
焊接工艺参数是指焊接时为保证焊接工艺质量而选定的诸多物理量，包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、电源种类极性、坡口形式等等。如果焊接工艺参数选取适当，焊接质量将会提高并且会很大程度上提高生产效率。焊接方法不同，焊接工艺参数也会不同，比如钨极氩弧焊中钨极直径，焊条电弧焊焊条直径，埋弧焊中焊丝直径等等。
三、有效控制不锈钢焊接应力与变形应采取的措施
1.减小不锈钢焊接应力的措施
所谓减小不锈钢焊接应力，是指在焊接结构制定过程中采取适当措施减小焊接的残余应力。一般可以从设计和工艺两方面着手，在不影响结构使用性能的前提下列出设计方案，另外还要采取必要的工艺措施将焊接应力减小到最低程度。以下是减小不锈钢焊接应力的具体措施。
（1） 减小焊接的拘束度。尽可能不用刚性固定来控制焊件的变形，以免增大焊接拘束度，因为焊接拘束度越大，焊接应力越大。另外应尽量使焊缝的纵向和横向避免受到较大拘束，能够自由的收缩。
（2）采取合理的焊接顺序。如果需要组装的焊缝比较多，应该按照构建形状和焊缝的分布先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝。先焊不能自由收缩的拘束度较大的焊缝，后焊能自由收缩的拘束度较小的焊缝，这样焊接应力就会大大减少。
（3）使用较小的线能量。在焊接的时候根据焊件的具体特性多使用小直径的焊条与输入较小的热，这样可以缩小焊件的受热范围，从而使焊接应力减少。同时，加快冷却速度，能有效增加焊接接头的耐蚀性，这需要降低层间温度，当前层焊缝温度冷却到较低温度时，再焊接后道焊缝。
（4）去除残余应力的广泛方法—振动法。当今时代，我们采用的最广泛有效地方法是振动法，其基本原理是当构件承受的变载荷应力达到某个规定的数值时，如果再循环施加载荷，其残余应力就会缓慢减少，这时我们就可以通过振动法这种方式来消除部分焊接残余应力。由于振动法消耗的成本低、效率高且设备简单，在生产上应用比较广泛。
2.控制不锈钢薄板变形所采取的措施
（1）施加辅助热源或冷源
通过国内外许多学者的研究和分析，通过施加辅助热源或冷源来畸化焊接温度场能够有效地降低焊件的应力和控制变形。经过大量的实验证明在焊缝区域利用适合形状的挤压头进行挤压，在一定速度下旋转锤击焊缝，使焊缝区产生塑性应变，则会减小甚至消除残余压缩塑性应变，能有效降低焊接残余变形。
（2） 选择合适的焊件装配顺序
在焊接装配时如果焊件的装配顺序选择的合适，则会避免在总的构件内引起多余的装配应力。在不同的装配阶段，装配体的总刚性化和重心位置是会改变的，这样会导致焊件内本不应该存在的应力出现。如果处理不好装配焊接顺序，则会直接影响焊接的质量。还有在不锈钢薄板装配过程中有可能产生新的残余应力，当它的值大于临界变形应力时，就会导致焊件变形。因此，要尽可能减少或避免装配应力的产生，首先选择合适的焊件装配顺序是至关重要的。
（3）选择合适的焊板初始粗糙度和板厚
经大量实验证明，焊板的初始粗糙度和板厚对焊接变形的影响很大，如果板材存在不平整度问题，那么它的残余应力会增加，起始阶段板材挠度的增长相对比较缓慢，但当焊接产生的残余应力超过某个定值时，瞬间板材挠度的增加会相对较快。初始粗糙度相对较大时，板材所能承受的临界载荷值在一定程度上就会降低，容易产生失稳变形。因此必须严格控制不锈钢薄板焊件的表面粗糙度，否则其将会很大程度上影响焊接抗失稳变形阻力和临界载荷。
除了初始表面粗糙度外，焊板厚度也是影响不锈钢薄板变形的重要因素。焊板的厚度越小，刚度就越小，抵抗弯曲变形的能力就越差，在不锈钢薄板对接焊时，受高温影响容易发生挠曲变形。反之，焊板厚度越大，刚度也就越大，则不易产生变形。因此合理控制焊板厚度是减小不锈钢薄板变形的重要措施之一。
四、总结
总而言之，不锈钢焊件在焊接过程中总是避免不了产生焊接内应力，焊接后产生残余应力，随之产生焊接变形的现象。在工程焊接实践过程中，我们要牢记正确的焊接工艺，在熟悉焊接工艺的基础上，采取更为合理有效的控制不锈钢焊接应力与变形的方法与对策，尽最大可能在最大程度上减少和消除焊接后焊件产生残余应力和变形现象的发生，实现我国不锈钢产业高效、高产的发展的伟大目标。
参考文献
[1]董兵天.不锈钢吊架主梁结构焊接应力与变形控制工艺研究.[J].科技创新导报，2013.
[2]龙创平.不锈钢焊接应力与变形控制分析.[J].机电信息，2013.
[3]刘洪林.焊接应力与焊接变形的产生原因与控制措施.[J].科技信息，2012.
[关键词]焊接应力；焊接变形；不锈钢薄板；控制
中图分类号：TG457.11 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）41-0065-01
引言
在“十二五”期间，我国的航空航天、核电、风电等高端产业得到了快速的发展，而这些产业的发展都离不开大型、重型加工设备，而大部分加工设备都是由不锈钢构成的。近些年来，随着不锈钢薄板的广泛应用，薄板不锈钢的焊接也日益重要，其焊接变形也严重影响了焊接质量，主要的变形包括横向收缩、纵向收缩、弯曲变形等，因此有效控制不锈钢焊接应力与变形的技术是至关重要的。
一、不锈钢焊接应力与变形控制措施分析的意义
随着我国高端产业的迅速崛起与发展，大重型加工设备的应用越来越广泛，带动不锈钢产业的发展。然而不锈钢焊接过程中容易出现焊接应力和焊件变形的现象。因此为了降低生产成本，提高企业的工作效率，提高企业受益，深入研究不锈钢焊接应力与变形控制措施分析是非常有必要的。
现在意义上的不锈钢焊接过程指的是，通过对焊件局部区域加热，然后再冷却凝固。需要注意的是焊接过程中，焊件如果会受热不均匀，将会带来很多麻烦，其会通过诸多因素，例如：在热源周围的金属运动在一定程度上会受到结构因素、材料因素、制造因素的内拘束度以及外拘束度的影响。从而导致焊件产生收缩或膨胀，从而使焊件内部产生焊接应力与变形。常见焊接应力包括横向应力、纵向应力等，常见焊接变形包括横向收缩变形、纵向收缩变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形等等。因此，在焊接过程中，深入研究不锈钢焊件的应力与变形产生的原因，并找出有效控制不锈钢焊接应力与变形的措施，从更大程度上提高产品的质量，减少材料浪费，提高企业工作效率是非常必要的。
二、不锈钢薄板焊接应力与变形产生的原因
1、焊件的不均匀受热
焊件的焊接是一种局部加热的过程，温度分布特别不均匀，当焊缝或周围区域加热到熔化状态或接近熔点的时候，远离焊缝的区域温度并不高，甚至很低。在焊接时，加热区的金属在周围金属的拘束作用下，不能自由的热胀冷缩，当焊件拘束度较大或较小时都会使焊件上各点的受热膨胀与冷却收缩的程度不一致，焊接应力与变形就比较容易产生。
2、焊缝金属的收缩
一般来说，由于物体热涨冷缩的缘故，焊缝的金属会因冷却而体积缩小，但是，焊缝金属紧紧地连着母材，不能自由伸缩，会导致焊后焊件的变形，尤其对于不锈钢来说，其线膨胀系数比较大，变形程度也相对比较大，同时焊缝处会产生残余应力。还会出现焊缝先结晶部分会组织后结晶部分的收缩，导致焊件产生焊接应力与变形。
3、焊件抵抗变形的能力和周围物体对焊件变形的约束
焊件的刚性也就是说焊件抵抗变形的能力因周圍的拘束程度的变化而变化。拘束是指周围物体对焊件变形的约束，周围的拘束程度越大，焊接变形越小、焊接应力越大，反过来当拘束程度越小的时候，则焊件变形变大，焊接应力会减小。
4、焊接工艺参数的影响
焊接工艺参数是指焊接时为保证焊接工艺质量而选定的诸多物理量，包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、电源种类极性、坡口形式等等。如果焊接工艺参数选取适当，焊接质量将会提高并且会很大程度上提高生产效率。焊接方法不同，焊接工艺参数也会不同，比如钨极氩弧焊中钨极直径，焊条电弧焊焊条直径，埋弧焊中焊丝直径等等。
三、有效控制不锈钢焊接应力与变形应采取的措施
1.减小不锈钢焊接应力的措施
所谓减小不锈钢焊接应力，是指在焊接结构制定过程中采取适当措施减小焊接的残余应力。一般可以从设计和工艺两方面着手，在不影响结构使用性能的前提下列出设计方案，另外还要采取必要的工艺措施将焊接应力减小到最低程度。以下是减小不锈钢焊接应力的具体措施。
（1） 减小焊接的拘束度。尽可能不用刚性固定来控制焊件的变形，以免增大焊接拘束度，因为焊接拘束度越大，焊接应力越大。另外应尽量使焊缝的纵向和横向避免受到较大拘束，能够自由的收缩。
（2）采取合理的焊接顺序。如果需要组装的焊缝比较多，应该按照构建形状和焊缝的分布先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝。先焊不能自由收缩的拘束度较大的焊缝，后焊能自由收缩的拘束度较小的焊缝，这样焊接应力就会大大减少。
（3）使用较小的线能量。在焊接的时候根据焊件的具体特性多使用小直径的焊条与输入较小的热，这样可以缩小焊件的受热范围，从而使焊接应力减少。同时，加快冷却速度，能有效增加焊接接头的耐蚀性，这需要降低层间温度，当前层焊缝温度冷却到较低温度时，再焊接后道焊缝。
（4）去除残余应力的广泛方法—振动法。当今时代，我们采用的最广泛有效地方法是振动法，其基本原理是当构件承受的变载荷应力达到某个规定的数值时，如果再循环施加载荷，其残余应力就会缓慢减少，这时我们就可以通过振动法这种方式来消除部分焊接残余应力。由于振动法消耗的成本低、效率高且设备简单，在生产上应用比较广泛。
2.控制不锈钢薄板变形所采取的措施
（1）施加辅助热源或冷源
通过国内外许多学者的研究和分析，通过施加辅助热源或冷源来畸化焊接温度场能够有效地降低焊件的应力和控制变形。经过大量的实验证明在焊缝区域利用适合形状的挤压头进行挤压，在一定速度下旋转锤击焊缝，使焊缝区产生塑性应变，则会减小甚至消除残余压缩塑性应变，能有效降低焊接残余变形。
（2） 选择合适的焊件装配顺序
在焊接装配时如果焊件的装配顺序选择的合适，则会避免在总的构件内引起多余的装配应力。在不同的装配阶段，装配体的总刚性化和重心位置是会改变的，这样会导致焊件内本不应该存在的应力出现。如果处理不好装配焊接顺序，则会直接影响焊接的质量。还有在不锈钢薄板装配过程中有可能产生新的残余应力，当它的值大于临界变形应力时，就会导致焊件变形。因此，要尽可能减少或避免装配应力的产生，首先选择合适的焊件装配顺序是至关重要的。
（3）选择合适的焊板初始粗糙度和板厚
经大量实验证明，焊板的初始粗糙度和板厚对焊接变形的影响很大，如果板材存在不平整度问题，那么它的残余应力会增加，起始阶段板材挠度的增长相对比较缓慢，但当焊接产生的残余应力超过某个定值时，瞬间板材挠度的增加会相对较快。初始粗糙度相对较大时，板材所能承受的临界载荷值在一定程度上就会降低，容易产生失稳变形。因此必须严格控制不锈钢薄板焊件的表面粗糙度，否则其将会很大程度上影响焊接抗失稳变形阻力和临界载荷。
除了初始表面粗糙度外，焊板厚度也是影响不锈钢薄板变形的重要因素。焊板的厚度越小，刚度就越小，抵抗弯曲变形的能力就越差，在不锈钢薄板对接焊时，受高温影响容易发生挠曲变形。反之，焊板厚度越大，刚度也就越大，则不易产生变形。因此合理控制焊板厚度是减小不锈钢薄板变形的重要措施之一。
四、总结
总而言之，不锈钢焊件在焊接过程中总是避免不了产生焊接内应力，焊接后产生残余应力，随之产生焊接变形的现象。在工程焊接实践过程中，我们要牢记正确的焊接工艺，在熟悉焊接工艺的基础上，采取更为合理有效的控制不锈钢焊接应力与变形的方法与对策，尽最大可能在最大程度上减少和消除焊接后焊件产生残余应力和变形现象的发生，实现我国不锈钢产业高效、高产的发展的伟大目标。
参考文献
[1]董兵天.不锈钢吊架主梁结构焊接应力与变形控制工艺研究.[J].科技创新导报，2013.
[2]龙创平.不锈钢焊接应力与变形控制分析.[J].机电信息，2013.
[3]刘洪林.焊接应力与焊接变形的产生原因与控制措施.[J].科技信息，2012.