（攀枝花市華森職業(yè)學(xué)校 四川 攀枝花 617200）

在焊接結(jié)構(gòu)中，焊接應(yīng)力作為有害因素之一，其根除的難度性較高，所以要對(duì)其原因和基本規(guī)律進(jìn)行深入分析，從而對(duì)焊接應(yīng)力的分布和大小進(jìn)行有效控制，防止破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)，以免造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。在焊接裂紋形式中，冷裂紋、熱裂紋、再熱裂紋等比較常見，焊接應(yīng)力發(fā)揮著重要作用，其危害性也是不容忽視的。在焊接應(yīng)力的產(chǎn)生方面，其相關(guān)性因素主要包括焊接材料的物理冶金性能、焊接過程不平衡的加熱等。其大小、對(duì)于焊接接頭的拘束度、母材厚度等起到一定的決定性作用。

1.焊接應(yīng)力的產(chǎn)生及影響因素

1.1 液態(tài)焊縫金屬結(jié)晶凝固具有收縮率的影響。相比于液態(tài)金屬，固態(tài)金屬的致密性特點(diǎn)顯著，所以在金屬材料由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)的情況下，其體積縮小程度是不同的，該金屬材料的收縮率，出自于縮小的體積與原液態(tài)金屬體積的比值。對(duì)金屬鍵連接的形成進(jìn)行分析，主要體現(xiàn)在焊縫金屬與母材熔合，液態(tài)焊縫金屬凝固后體積的收縮，對(duì)母材的焊接拉應(yīng)力程度比較明顯，也就是收縮應(yīng)力。對(duì)其大小進(jìn)行分析，與接頭填充金屬的量之間有著密切的聯(lián)系，填充越多，會(huì)明顯增加凝固后體積的收縮量，進(jìn)而使應(yīng)力也越來越突出。在接頭拘束度小的狀態(tài)下［1］，該應(yīng)力的焊接變形比較明顯，反之，在接頭的拘束度大的狀態(tài)下，通常來說，應(yīng)力很難通過變形獲得釋放，所以在接頭中會(huì)形成積聚，在具備條件后，如定量的H得到聚集，而且淬硬組織也由此產(chǎn)生，這種能量基于冷裂紋形式，可以大大提高釋放效率，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象的出現(xiàn)。

在液態(tài)金屬開始結(jié)晶且固體晶粒間連為整體時(shí)，焊縫中收縮應(yīng)力開始產(chǎn)生，在熔池結(jié)晶的影響下，其值變化由小慢慢變大。如圖1所示，圖左上，柱狀晶粒的生成主要借助于熔合線，且在晶粒與相鄰晶粒結(jié)合的情況下，會(huì)為收縮應(yīng)力的產(chǎn)生創(chuàng)造有力條件即產(chǎn)生，此時(shí)液態(tài)金屬沿熔合線結(jié)晶，其形狀類似于碗裝，所以可以得出“應(yīng)力值小”這一結(jié)論；圖右上，在結(jié)晶不斷發(fā)展過程中，一定程度上增加了固態(tài)金屬的厚度，其收縮應(yīng)力的增大趨勢(shì)越來越明顯；圖下中，在收縮應(yīng)力最大的情況下，液態(tài)金屬結(jié)晶已經(jīng)結(jié)束，此時(shí)極容易造成熱裂紋的出現(xiàn)。

圖1 焊縫結(jié)晶過程對(duì)應(yīng)力的影響示意圖

1.2 焊接熱影響區(qū)對(duì)應(yīng)力的影響。以圖2為例，金屬材料局部加熱區(qū)利用陰影區(qū)來進(jìn)行表示，該部位受熱膨脹狀態(tài)顯著。在加熱到的金屬紅熱狀態(tài)時(shí)，其強(qiáng)度并不大，而且與相鄰低溫度材料的強(qiáng)度具有明顯的差距，此時(shí)其塑性比較明顯。所以對(duì)該加熱部位進(jìn)行分析，不會(huì)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，而且正常來說，虛線和實(shí)線之間的這部分體積會(huì)出現(xiàn)增大膨脹，但是在臨近材質(zhì)擠壓作用下，壓縮塑性變形由此產(chǎn)生［2］。基于此，面對(duì)溫度降到常溫狀態(tài)，相比于加熱之前的體積，該加熱部位冷卻后的體積要較小，所以相鄰材料的拉應(yīng)力由此出現(xiàn)。在生產(chǎn)過程中，火焰矯形比較常見，這主要得益于金屬材料特性來實(shí)現(xiàn)。如果材料被加熱的溫度并不高，因?yàn)閺?qiáng)度和硬度較高，所以彈性變形得到了充分體現(xiàn)，在溫度恢復(fù)與常溫相符時(shí)，與原體積大小相差并不大，殘余應(yīng)力自然得到有效控制。

相比于焊縫金屬，熱影響區(qū)的應(yīng)力分布的復(fù)雜程度較高，其影響因素主要包括前述熱脹冷縮、焊縫金屬收縮應(yīng)力、熱影響區(qū)組織相變等。如過熱區(qū)冷卻后的組織（如馬氏體、珠光體），其致密度并不相同，從而使體積、應(yīng)力狀況也有所不同。

圖2 金屬材料熱脹受擠壓示意圖

2.焊接應(yīng)力的處理和控制措施

2.1 直接控制材料的收縮率。目前，新型焊材得到了廣泛應(yīng)用，其低溫相變特點(diǎn)顯著，對(duì)于高強(qiáng)鋼產(chǎn)生了很大的影響，通過對(duì)此種焊材焊接的應(yīng)用，焊縫的殘余應(yīng)力低和焊接變形并不大。在其利用方面，主要是指在該焊材熔敷后，可以使一種針狀馬氏體組織由此產(chǎn)生，而馬氏體組織的比容非常大［3］，由此可以看出，收縮率最小這一結(jié)論成立，從而對(duì)于實(shí)現(xiàn)小的殘余應(yīng)力和焊接變形具有一定的幫助，即使在焊前不預(yù)熱施焊，裂紋現(xiàn)象也可以得到有效避免。

2.2 時(shí)效處理。對(duì)于高溫時(shí)效來說，也就是焊后熱處理，在溫度較高的情況下，基于焊接殘余應(yīng)力的作用，材料出現(xiàn)蠕變的可能性較高，從而釋放其應(yīng)力，這在消應(yīng)處理措施中發(fā)揮著明顯的優(yōu)勢(shì)。此外，敲擊或震動(dòng)時(shí)效等也比較適用。

2.3 優(yōu)化焊接工藝。其中，窄間隙或優(yōu)化坡口角度等比較適用，以此來對(duì)焊縫填充量進(jìn)行控制；高能焊接方法也具有一定的應(yīng)用價(jià)值，在對(duì)焊縫填充量的控制和減少熱影響區(qū)寬度方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)；在設(shè)計(jì)焊接順序時(shí)，應(yīng)確保高度的合理性，在拼接焊中，要遵循先長后短這一原則，為自由變形創(chuàng)造有力條件，這非常適用于收縮量大的焊縫；為了滿足減小熱輸入需求，多層多道焊非常適用；對(duì)于焊接工藝參數(shù)，應(yīng)將其控制在合理范圍內(nèi)，不斷提高接頭的組織形態(tài)的控制效果。

如果裝配間隙過大，應(yīng)加強(qiáng)堆焊方式的應(yīng)用，其中，應(yīng)在單側(cè)坡口面上實(shí)施，在間隙滿足合適要求的情況下，為將兩件相連施焊奠定基礎(chǔ)。先堆焊的部分，在兩件之間不會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力，要想收縮應(yīng)力順利產(chǎn)生和出現(xiàn)，僅僅借助于后施焊的連接焊縫才能完成。也就是說，對(duì)接頭的填充金屬進(jìn)行控制，從而可以達(dá)到減小應(yīng)力的需求。

3.結(jié)束語

針對(duì)于各種焊接結(jié)構(gòu)，焊接應(yīng)力的有害特點(diǎn)突出，不僅會(huì)造成變形的出現(xiàn)，很難保證尺寸的精度性，而且還會(huì)導(dǎo)致裂紋現(xiàn)象的出現(xiàn)，加劇結(jié)構(gòu)失效的發(fā)生。基于此，應(yīng)對(duì)焊接應(yīng)力產(chǎn)生的因素進(jìn)行深入分析，對(duì)影響焊接應(yīng)力的基本規(guī)律予以明確化，從而滿足焊接應(yīng)力的控制目的。