影响焊接应力和焊接变形的因素及控制措施

影响焊接应力和焊接变形的因素及控制措施摘要：本文主要探讨了电站管道焊接过程中常见的焊接变形和焊接应力产生的主要因素，以及焊接变形和焊接应力的控制措施，希望对以后的焊接工作有一些帮助。

关键词：焊接变形，焊接应力，热循环，焊接工艺，控制

目前火力发电朝着大容量机组发展，来满足日益增长的用电需求和达到节能减排的重要目标。而在火电建设事业中，焊接技术成了一个关键的课题。在施工过程中，由于焊接产生的焊接变形和残余应力，严重影响着工程的质量、安装进度和使用性能。增大了电厂运行的安全隐患。因而，急需分析其产生的原因，并积极采用合理的方法予以控制。

焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热循环过程，由于不均匀的温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力并引起焊接变形。

焊接应力与变形对接头的性能有着较大影响，使得焊件强度、韧性下降。因此将对焊接变形产生原因及其影响因素进行分析，针对不同的焊接施工过程特点，采取不同的措施进行处理，以达到降低或消除焊接变形的目的。

1、影响焊接变形的因素及控制措施

1.1焊缝截面积的影响

焊缝截面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝面积对纵向，横向的影响趋势是一致的，而且是主要的影响。因此，在壁厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。

1.2焊接热输入的影响

一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大。

1.3焊接方法和焊接工艺参数的影响

不同焊接方法引起的收缩量也不同。当焊件的厚度相同时，单层焊的纵向收缩比多层焊收缩大，这是因为多层焊时，先焊焊道冷却后阻止了后焊焊道的收缩。焊接工艺参数的影响主要为线能量。一般规律是，随着线能量的增加，压缩塑性变形区扩大，因而收缩量增大。

1.4接头形式的影响

在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方法等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向、横向变形量有不同的影响。在电站管道焊接中，接头形式一般是对接接头并且是单面焊双面成型。对接接头在单道焊的情况下，其焊缝横向收缩比较大，在单面焊时坡口角度大，管壁上、下收缩量差别大，因而角变形较大。

1.5焊接层数的影响

1)横向收缩：在对接接头多层焊接时，第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律。第一层以后相当于无间隙对接焊，接近于盖面焊道，因此，收缩变形相对较小。2)纵向收缩：多层焊接时，每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入小得多，加热范围窄，冷却快，产生的收缩变形小很多，而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束。因此，多层焊时的纵向收缩变形比单层焊时小，而且焊的层数越多，纵向变形越小。

由于各种因素的综合作用，焊接残余变形的规律比较复杂，了解各因素单独作用的影响便于对工程具体情况做具体分析。所以，了解焊接变形产生的原因和影响因素，则可以采取以下控制变形的措施：

1)减小焊缝截面积，在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下，尽可能采用较小的坡口尺寸。

2)厚壁管道焊接尽可能采用多层多道焊代替多层单道焊。

3)尽量采用小的线能量进行焊接。

4)采用刚性夹具固定法控制焊后变形。

5)在焊缝众多的构件组焊时或结构安装时，要采取合理的焊接顺序。

6)设计上要尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理布置焊缝，除了要避免焊缝密集以外，还应使焊缝位置尽可能靠近构件的中和轴，并使焊缝的布置与构件中和轴相对称。

2、影响焊接应力的因素和控制焊接应力的措施

2.1焊接时温度分布不均匀而引起焊接热应力。

2.2焊接时温度梯度变化过大引起组织变化产生组织应力。

2.3在一定的温度及刚度条件下，使焊件在某一瞬时内存在瞬时应力。

2.4焊件上的温度分布不均匀，由于电弧的作用，焊件局部被加热到熔化温度，焊缝与母材之间形成了很大的温度梯度。接头的高温区域要求伸长量大而受阻，形成了压应力；而温度较低的区域伸长量小的部分因抵抗高温区的伸长，形成了拉应力。

2.5焊缝及临近焊缝区在高温时几乎丧失了屈服强度，在应力作用下便会产生塑性变形，冷却后焊件内便形成了残余应力。

2.6焊接变形的矫正费时费工，安装企业首先考虑的是控制变形，往往对控制残余应力较为忽视，常用一些卡具、支撑以增加刚性来控制变形，与此同时实际上增大了焊后的残余应力。

焊件焊接时产生瞬时内应力，焊接后产生残余应力，并同时产生残余变形，这是不可避免的现象。对于一些本身刚性较大的管件，如壁厚较大，截面本身的惯性矩较大时，虽然变形会较小，但却同时产生较大的内应力，甚至产生裂纹。因此，对于一些构件截面厚大，拘束度大，钢材强度级别高，使用条件恶劣的重要结构要注意焊接应力的控制。控制应力的目标是降低其峰值使其均匀分布，有以下几种控制措施：

1)减小焊缝尺寸：焊接内应力由局部热循环而引起，为此，在满足设计要求的条件下，不应加大焊缝尺寸和层高，要转变焊缝越大越安全的观念。

2)减小焊接拘束度：拘束度越大，焊接应力越大，首先应尽量使焊缝在较小拘束度下焊接，尽可能不用刚性固定的方法控制变形，以免增大焊接拘束度。

3)采取合理的焊接顺序：采取先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝。先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝。

4)降低焊件刚度，创造自由收缩的条件。

5)锤击法减小焊接残余应力：在每层焊道焊完后立即用圆头敲渣小锤或电动锤击工具均匀敲击焊缝金属，使其产生塑性延伸变形，并抵消焊缝冷却后承受的局部拉应力。但根部焊道、坡口内及盖面层与母材坡口面相邻的两侧焊道不宜锤击，以免出现熔合线和近缝区的硬化或裂纹。高强度低合金钢，如屈服强度级别大于345MPa时，也不宜用锤击法消除焊接残余应力。

3、结论

（1）焊接应力和焊接变形是不可避免的，只能采取有效的方法、措施来控制焊接变形和降低焊接应力。并对超出规程要求的焊接变形进行矫正，从而既满足焊件强度和使用性能，又满足经济性要求。

（2）只要了解焊接工艺，采用合理的焊接方法和控制措施，就能减少和消除焊后残余应力和残余变形。在实践中不断总结、积累焊接经验，综合分析各种因素，采取相应的措施，焊接质量就能得以保证。

参考文献

[1]DL/T869-2012火力发电厂焊接技术规程.

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