薄板焊接应力与焊接变形

摘 要：本文研究了薄板板材焊接应力，焊接变形与焊接电流，焊接电压和板尺寸的关系。随着焊接线能量的增加，薄板板材的纵向和横向收缩变形增大。随着板长度的增加，板的纵向残余变形减小，厚度方向的抗弯性增加，横向变形增加。在焊接板之后，焊缝处的拉应力和靠近焊缝金属的基材处的压应力增加，焊接线和板的其他部分的能量越大，残余应力也越大。

关键词：焊接应力；焊接变形；钨极氩弧焊（TIG）；控制措施

1、焊接残余应力测量与分析

条形切割是一种常见的应力释放方法。根据应力释放和边界效应原理确定焊接接头的残余内应力，测量结果相对稳定而且准确。为了测量平行于焊缝的纵向残余应力，沿锯切应力的截面形成新的端面，以垂直于焊缝进行测量。因为端面不再受垂直于面的方向的约束，所以端面附近的金属中的大部分应力被释放。

1.1应变片测量应变电路

10个工作应变仪的引线（实际上是12个）连接在一起，称为公共线，B（B的内部连接）；工件的另一个引出线连接到端子柱A，即a1，a2，...，a10；补偿器的两根引线连接到端子B和C，并且c1，c2，...和c10短接。通常，常用的补偿器可以补偿6-8个工作应变计。应变计型号为BX120-5AA，标称电阻为119.8+0.1Ω，灵敏度系数为K=2.08+1%。

1.2应变片粘贴

当应变计应用到实验过程中时，可以用酒精来清理表面的氧化物和油脂等影响实验精度的物质。在测量应力的关键部位使用铁纱布打磨，一直到光洁度能达到▽4左右，同样也需要用酒精进行清洁工作。用快干绝缘胶或502胶粘剂，使电阻应变计牢固地固定在试验板的每个测量点上，接头试验板仅安装在纵轴和横轴上。应选择具有相同电阻的电阻应变计进行安装。方便在以下测量过程中调整平衡，贴片后24小时自然干燥。用数字万用表检查电阻器的焊膏质量。对于引线和应变仪的测试板之间的绝缘电阻要求应该在200Ω以上。采用锡焊的方式连接应变片的引线和导线，然后用电绝缘胶带将其固定在测试板上，保证导线和铝板处于绝缘状态。

1.3 测量结果与分析

薄板材料为6061薄板，厚度为2毫米。用交流手动TIG焊丝焊接，在焊接过程中，焊缝扩大，焊接区域发生压缩塑性变形。当焊缝在焊接后冷却时，焊缝应收缩并受到焊缝周围的基底金属的约束，使焊缝不能自由收缩，焊缝附近的焊缝根据作用原理受到拉应力在力和反作用力下，焊接区域附近的焊缝受到压应力。实验中使用的薄板板是薄板（2mm）。在焊接过程中，倾向于发生板的弯曲变形和上拱的不稳定性。

当焊接电流保持不变时，随着焊接速度的增加，热输入下降，焊接后纵向残余应力减小。结果表明，焊接热输入是影响焊后残余应力的重要因素。随着焊接速度的降低，焊接后的纵向残余应力变大。

2、焊接应力的控制

2.1设计措施

尽可能减少焊缝的数量和尺寸。尽量选用型钢和大型钢板，采用填充金属较少的沟槽形式。避免焊缝布置过度集中。焊缝应保持足够的距离。尽可能避免三向交叉焊缝。三维拉应力很容易由交叉焊接引起，这降低了接头的可塑性。

采用刚度较小的接头。使用法兰而不是嵌入式管道连接可以使焊缝自由收缩。合理安排焊缝。焊缝不尽可能布置在工作应力最严重的区域。尽可能对称布置，连接过渡平稳，避免应力集中现象。避免反向焊接。结构整体刚度应连续均匀，刚度变化应小，应避免几何不连续。C形结构的内翼应加强。三角肋顶端的应力集中距离尖端最大10 mm。。

2.2工艺措施

2.2.1焊前预热、焊后保温

焊接前预热焊缝周围材料主要是为了减少焊缝各部分的温差，降低焊缝的冷却速度和均匀收缩，从而减少焊接应力和变形。预热温度通常不高于400摄氏度。切割扭矩火焰可用于预热，之后可用石棉保温。

2.2.2选择合理的焊接顺序和方向

①先焊接变形收缩率大的焊缝可以让其自由收缩。在面对有对接焊缝和角接焊缝时，应首先选择对接焊缝。

②先焊接交错短焊缝，然后焊接直长焊缝。

③在实际的焊接工作中，首先应该选择冲击力较高的焊缝，目的是为了让其内部应力分布合理。先挑选最大力的翼缘对接焊缝进行焊接，其次是腹板的对接焊缝，最后才是角焊缝。这样做的原因是因为翼缘的对接焊缝能够承受起应压力，而腹板的对接焊缝能够承受拉应力。而最后的角焊缝则有一定幅度的收缩余量，这样的选择能后防止角变形。

④当焊缝在平面内时，焊缝（尤其是横向）的收缩相对自由，焊接对接焊缝时，焊接方向应朝向自由端

2.3降低结构局部刚度

當结构的刚度增加时，焊接后的残余应力将显着增加。因此，在允许的条件下采取一些技术措施，可以减少焊接区域的局部刚度，有效降低焊接残余应力。当焊接密封的焊接密封或其他具有高刚度的焊缝时，可以使用反向变形。

2.4锤击焊缝区

焊接残余应力的基本原因是，由于冷却过程中的纵向和横向收缩，焊接后焊接及其相邻区域可以有效地减少焊接残余应力。

焊缝的温度应保持在100到150摄氏度之间或高于400摄氏度，应避免在200到300摄氏度之间，这将导致金属的蓝色脆性，并且如果锤击则很容易破裂。

在多层焊接中，除了第一层和最后一层之外，每层都要锤打，直到焊缝表面被冲压到均匀和紧凑的点。锤击时，力应均匀，通常使用锤子0.5-1.0 Kg，锤子末端有圆角（R=3-5mm）。第一层不采用锤打以避免根部裂缝，最后一层通常是薄焊接，以消除锤子造成的冷硬化。

2.5合理利用高温回火

焊件用来消除焊接残余应力的高温回火分整体和局部两种方式。

①整个焊接部分在炉内加热到一定温度，然后通过整个高温回火冷却一段时间。在相同的材料中，回火温度越高，时间越长，残余应力消除得越彻底。通过整体高温回火可以消除80%～90%的残余应力，这是生产中使用最广泛且常见的方法。

在600～620摄氏度的回火后，延展性和韧性降低（回火脆性），回火温度应为550～560摄氏度。

回火时间取决于焊接部件的厚度。钢的计算根据每毫米1-2分钟的厚度，但不小于30分钟，不大于3小时，因为残余应力的去除效率在任何时候都迅速降低，并且不需要过多的处理时间。

②局部高温回火 主要是加热焊缝及其周围部位来达到减轻残余应力的目的，但是这种方式的效果比不上整体的高温回火效果，应用这种方法主要是得益于其方式简单，设备需求小等优点。通常用于简单、限制较少的焊接结构，例如长管容器、管道接头、长部件的对接接头和其他焊接残余应力消除。对于大型焊接部件，可以使用局部高温回火来降低峰值应力。局部高温回火可以利用红外线、工频感应加热、气体或者是间接电阻等方式。

2.6合理利用机械接伸法

焊接残余应力的产生主要是由于焊接后产生的塑形变形。焊接后的加载张力会导致焊接部分的拉伸性塑形变形。拉伸塑性变形方向与压缩残余变形方向不一致，位置相反，这种情况会导致压缩残余变形幅度减小，因此同样的焊接残余应力也会减小。

这种机械拉伸应力消除方法对于焊接后需要液压测试的焊接容器特别有用。在实际应用中，液压试验中容器的压力要大得多，而在钢制压力容器试验中，压力通常是实际压力的1.25倍，因此容器的水力试验相当于机械压力拉伸，也消除了设备的焊接残余应力。

参考文献：

[1] 郑卜祥，闫志鸿.薄板结构件焊接变形数值模拟的研究现状及发展[R].轻金属与高强材料焊接国际论坛，2008.

[2] 汪建华，陆皓.焊接残余应力形成机制与消除原理若干问题探讨[J].焊接学报，2002，23（3）：75-79.

[3] 王者昌.关于焊接残余应力消除原理的探讨[J].焊接学报，2000，21（2）：55-58.

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