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发表于 2016-7-20 17:12:39
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焊接工艺对不锈钢焊接变形的研究
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摘要：当今，不锈钢焊接工艺作为一种实用的技术手段，已经被我们广泛使用。从小零件到航空航天，都有它的身影，应用非常普遍。但是有一个问题困扰了许多学者多年，那就是焊接过程时刻伴随着焊接应力，这种焊接应力将会导致焊件产生变形，严重影响了焊件的质量。随着社会发展，这个问题使焊接工艺面临很大的挑战，为了能让它更好的服务我们的生活，我们必须对它有新的认知，深入了解它的产生的原因、影响以及应对措施，给予全方面的定位，做到与时俱进。本文系统的研究了不锈钢焊接变形的问题。7 O! x3 g4 Q8 d. t. H/ p9 t
关键词：不锈钢焊接工艺焊接应力焊件变形原因影响应对措施! t$ m- x5 T9 j$ R" Y) M; [
前言：焊接工艺是现代工业中一种不可缺少的加工工艺方法之一。简单的说，焊接工艺就是通过加热、加压将两个物体链接起来。焊接过程中由于时刻存在应力，在焊缝冷却后难免会产生一些焊接变形，如横向收缩、纵向收缩、角变形和纵向弯曲等，焊接变形不仅影响结构的美观，并且严重影响在使用中的装配性。焊接工艺发展的前景非常广阔，实用性也毋庸置疑，如果我们树立正确的理念，深入了解学习，相信它会给我们带来巨大的收益。! N+ q1 S- o/ V0 v* `- H; X7 v. M
1. 不锈钢焊接变形的种类4 [/ n* D* D6 W% h9 a$ X
焊接变形种类繁多，情况复杂，主要有收缩变形（横向收缩、纵向收缩）、角变形、弯曲变形、波浪变形以及扭曲变形等。5 u( o; ^- ]6 q# w+ K9 W: M! p: i
1.1 收缩变形（横向收缩、纵向收缩）$ O/ |3 ]6 E0 h4 F
焊件尺寸比焊前缩短的现象称为收缩变形，此类变形又分为纵向收缩和横向收缩。焊件在焊后垂直于焊缝方向的收缩叫横向收缩。焊件在焊后沿焊缝长度方间的收缩称为纵向收缩。+ d& J6 v8 ?+ c1 d# X4 |+ B6 o
1.2 角变形. _( n- e$ A% ~0 Q8 B6 ]
角变形产生的根本原因如下，焊缝的截面总是上宽下窄，因而横向收缩量在焊缝的厚度方向上分布不均匀，上面大、下面小，结果就形成了焊件的平面偏转，两侧向上翘起一个角度，从而产生了角变形。角变形的大小以变形角α进行度量。3 R/ D# B2 c% X& o3 [5 S. ?) o
1.3 弯曲变形
' {/ c) {; \% k) K2 J: K' l$ d弯曲变形主要是指结构上的焊缝布置不对称或焊件断面形状不对称时，焊缝收缩引起的变形。- R3 ]6 e2 `* U
1.4 波浪变形
1 ?( i; W: B6 G$ J: a% G焊后构件产生形似波浪的变形称为波浪变形。此类变形通常发生于板厚小于6mm的薄板焊接过程中，又称之为失稳变形。薄板对接焊后，存在于板中的内应力，在焊缝附近是拉应力，离开焊缝较远的两侧区域为压应力，如压应力较大，平板失去稳定就产生波浪变形。此外，当焊件上的几条角焊缝靠得很近时，由每角焊缝所引起的角变形连贯在一起也会形成波浪变形。
9 p; r& }4 I8 S* D# R, l2 ^$ b1.5 扭曲变形
5 Q) W# E. @( N: Y/ e% E( K产生的原因主要是焊缝角变形沿焊缝长度方向分布不均匀。一般发生在有数条平行的长焊缝的焊件上，如焊接工形梁。扭曲变形的产生往往与焊接方向或顺序不当有关。: }; k6 V/ u4 {% u6 ^
2. 不锈钢焊接变形产生的原因: F# \- g0 Y) ~' ~4 W
焊接变形是由焊接时不均匀加热引起的，热源只集中在焊接部位，且以一定速度向前移动，局部受热金属的膨胀能引起整个焊件发生平面内或平面外的各种形态的变形。确切地说是焊件焊后残存于结构中的残余变形，它与焊件的形状尺寸、材料的热物理性能及加热条件等因素有关。对所有熔化式焊接，在焊缝及其热影响区都存在较大的残余应力，残余应力的存在会导致焊接构件的变形、开裂并降低其承载力。同时，在焊缝的焊趾部位还存在凹坑、余高、咬边造成的应力集中，而焊趾出的熔渣缺陷、微裂纹又形成了裂纹的提前萌生源。由于受残余拉应力、应力集中和裂纹萌生源的影响，焊接接头的疲劳寿命大大降低。残余应力都集中在焊缝附近，当焊接残余应力与承载的工作应力叠加，其数值超过材料的屈服极限时，工件就会再焊缝附近产生焊接变形，断裂等现象。; O1 r1 Z9 s- ]
3. 焊接变形对不锈钢性能的影响, e: M. Z( W1 Q6 B+ I/ V3 H
焊接变形是焊接结构制造过程中最常见的问题之一，它是使不锈钢结构产生变形和开裂的主要原因。钢结构是钢材通过一定的设计方法做成构件，构件再通过一定的连接方式连接成的整体结构承力体系或传力体系。目前不锈钢结构最主要的连接方式就是焊接。但由于焊接物理过程十分复杂，快速的不均匀加热与冷却，将不可避免地产生焊接变形，这将对不锈钢结构的安装精度有很大影响，而且过大的变形将显著降低不锈钢结构的承载能力。在焊接过程中，在焊缝附近的热影响区内，不锈钢钢材的组织发生改变，导致局部材质变脆，将会出现细小裂纹，焊接结构对裂纹很敏感，局部的裂缝一旦发生，就容易扩展到整体。伴随着现代科学技术的进步，人们必须不断地认识焊接变形产生的原因，掌握焊接变形规律，才能在不锈钢焊接结构制造过程中实施合理的控制方法。
* ]( V. }: ]( V5 \2 N7 T4. 应对焊接变形的措施
8 I3 ~, s2 Q$ F& R8 q) a焊接变形的改进包括：选择合理的焊缝形状和尺寸；减少焊缝数量；合理安排焊缝位置等。下面将从上述方面介绍一下应对焊接变形的措施。
, Q" O V1 E* S1 A4.1 采用合理的焊接顺序控制变形# T7 Y+ C, Y3 M5 u! [6 s
焊接平面上的焊缝，要保证纵向焊缝和横向焊缝能够自由收缩。而且要先焊收缩量较大的焊缝。对长焊缝来说宜采用分段焊法。对于对接接头、T形接头和十字接头坡口焊接，在工件放置条件允许或易于翻身的情况下，宜采用双面坡口对称顺序焊接。对于有对称截面的构件，宜采用对称于构件中和轴的顺序焊接。对于非对称截面的构件宜采用先焊深坡口侧部分焊缝、后焊浅坡口侧、最后焊完深坡口侧焊缝的顺序。
6 T* x2 }$ o, _9 `4.2 反变形法
( `* g* {! b/ Y+ L4 B9 X为了抵消和补偿焊接变形，焊前先将焊件向与焊接残余变形相反的方向进行人为的变形，这种方法称为反变形法。反变形法是生产中最常用的方法，通常适用于控制焊件的角变形和弯曲变形。由于其简单有效，生产上常用于大型箱形构件的合拢。5 I8 r* X- [. W* }6 v- `, S; Z
4.3 刚性固定法
4 T; [- i: r$ Z- W& N利用夹具、支撑、专用胎具、定位焊等方法来增大结构的刚性，减小焊接变形的方法称为刚性固定法。刚性固定法减小变形很有效，且焊接时不必过分考虑焊接顺序，然而，所有事物都具有两面性，它也有它的缺点。有些大件不易固定，并且焊后撤除固定后，焊件还有少许变形和较大的残余应力。
7 n1 S$ ]% W# | g4.4 散热法
, e( Z6 q9 ~, W* K散热法又称强迫冷却法。就是在焊接时用强迫冷却的方法把焊接处热量散走，使焊缝附近的金属受热面大大减小，从而达到减小变形的目的。散热法有水浸法和散热垫法。但散热法比较麻烦，且对于淬火倾向大的钢材不宜采用，否则易裂。% o" B1 V) {& J, V
4.5 自重法! a' v9 L2 Z0 B
利用焊件本身的质量在焊接过程中产生的变形来抵消焊接残余变形的方法称为自重法。
$ `" B4 i4 Y) g/ j+ z7 {9 U4.6 锤击焊缝法4 A+ a+ x- P% G. H% a) z2 {
锤击焊缝法，即用圆头小锤对焊缝敲击，可减少焊接变形和应力。因此对焊缝适当锻延，使其伸长来补偿这个缩短，就能减小变形和应力。锤击时用力要均匀，直至将焊缝表面打出均匀致密的点为止。
; j. `' p6 {- H* H) o; R1 D4.7 焊后热处理$ ^( N- }( p9 Z! T+ R% s
采用焊后热处理方法的确可以在一定程度上消除焊接残余应力，但对于有些大的焊接结构件而言，焊后热处理是难以实现的。0 T; y2 L4 t. R4 ^1 k
5. 结语：3 w$ a5 L, _% M* @9 F
在现代工业技术日益发展的今天，焊接工艺仍不可或缺，焊接工艺在很长一段时间内仍将会被应用于各个行业。焊接工艺的应用范围很广，大量运用在航空航天、汽车制造及维修、船舶、五金等制造业中。焊接工艺包含的知识很多，我们现在接触的知识一小部分，时代在进步，科学技术更在进步，我们要想更深的了解焊接技术，就必须加深理念，虚心务实，了解它的发展方向，与时俱进，斧正自己思想的航向，提出新的思想，这样科学才会发展，时代才会进步。$ t0 X4 S6 x. o9 R( a" U
参考文献：
6 `# `4 }4 {! b, C[1]李亚江.焊接缺陷分析及对策[M].北京:化学工业出版社，2011., q4 K( j- H9 V% j* C
[2]陈剑虹译.不锈钢焊接冶金学及焊接性[M].北京:机械工业出版社，2008.[3]赵昌盛等.不锈钢的应用及热处理[M].北京:机械工业出版社，2010.8 e7 S# k' L0 e4 B
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