焊接热输入影响研究

孙正夏 曲志峰

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266000

摘要：堆焊过程中不均匀的热输入容易导致焊件产生残余应力和一定程度的变形，影响焊件的结构强度和使用寿命。基于此，本文主要对焊接热输入对堆焊残余应力以及变形相关影响进行了简要的分析，希望可以为相关工作人员提供一定

借鉴。

关键词：焊接人输入；影响

引言

随着我国各个行业的不断发展，对焊接性与抗高温性能提出了更高的要求。

本文中研究了焊接热输入对堆焊残余应力和变形影响，并优化了堆焊焊接工艺。

1 焊接热输入对堆焊残余应力和变形的影响

1.1焊件温度场分析

在焊接过程中，整个温度分布不均匀，焊件高度方向的温度梯度小，焊件长度方向的平均温度高于宽度方向的平均温度；最高温度。焊件的再点（1912.45C）位于钢板表面的热输入位置附近，最高温度区域位于焊件的表面上。距离越小，温度越低，离热输入越远。在初始冷却过程中，焊缝温度分布不均匀，温度梯度大于焊接过程。

1.2焊接热输入对硬度的影响

不同热输入下焊接接头各位置的显微硬度测试不同，测试点位置选在焊接接头上焊面末焊道表面下方2mm处。从结果能够发现，3种热输入下热影响区的硬度与母材相比，表现出一定的硬化现象。随着热输入的增加，热影响区的最高硬度分别为255HV5、256.5HV5和229.2HV5，但是未超过350HV5，焊缝中心的平均硬度为212.2HV5、222.4HV5和220.3HV5。可以看出，随着热输入的增加焊缝中心的硬度呈增加趋势，这是由于焊缝中心中针状铁素体随热输入增加而增加。总体而言，焊缝中心的硬度高于母材，这主要是由于焊丝中的钼元素含量高于母材。焊缝中心硬度表现不均匀性，主要是由于合金元素不均匀性，导致组织不均匀和第二相的析出。焊缝中心的硬度比热影响区低，这是由于焊丝中缺少钒元素、铌元素、铬元素，导致焊丝熔化时焊缝合金化程度比热影响区合金化程度低，钒元素、铌元素、铬元素合金元素在一定程度上对热影响区硬度的提高起了很大作用。此外，热输入也对硬度在接头的分布有一定影响。热输入太大导致焊缝发生再结晶使晶粒粗化较为严重，晶界变粗，硬度值下降。

1.3焊件残余应力及形变分析

焊缝的最大残余应力位于焊缝的长度方向，焊缝的残余应力基本相同（219MPa），在宽度方向上，焊缝的残余应力与焊缝到焊缝的距离呈负相关。焊接后，沿焊缝宽度方向，从焊缝区到焊缝外端，变形逐渐增大，最大变形（0.428mm）位于焊缝宽度方向的外端；焊缝面积先增大后减小，最小变形区位于焊缝两侧。

1.4热输入对焊件残余应力和形变的影响

焊接件的残余应力和变形的产生与焊接件的加热和冷却过程有关。它是焊接材料特性、内部热传导、焊缝与空气的对流换热、堆焊过程中的热输入等因素综合作用的结果。为了研究不同热输入条件对焊接件残余应力和变形的影响，基于控制变量法，分别改变焊接速度和焊接电流，通过热载荷求解焊接件。在完成分析后，提取并分析残余应力和变形数据。当焊接速度为V＝12mm／s时，焊接电流逐渐改变。当焊接速度v=12mm/s时，焊接电流逐渐增大，最大残余应力逐渐增大。当I大于20A且热输入达到一定值时，最大残余应力开始逐渐趋向于某一值（220MPa），达到一定值。材料屈服极限。当焊接电流逐渐增大时，焊缝变形先增大后减小。当I＝130A时，变形达到最大值（0.5mm）。这是因为随着焊接电流的增加，热输入逐渐增加，热传导和对流换热增强，温度场的分布梯度随着焊接电流的增加而逐渐增大。当热输入达到一定值时，温度场的分布梯度逐渐减小，焊缝变形趋于缓和，变形逐渐减小。当焊接电流I=11A时，焊接速度逐渐加快，冷却后焊件的最大残余应力和形状变化变小。这是因为随着焊接速度的增加，单位时间的热输入逐渐减小，温度场分布的梯度逐渐减小。在焊缝内部热传导和焊缝与空气对流换热的联合作用下，焊缝的最大残余应力和形状变量逐渐减小。

2 焊接热输入对接头性能的影响

熔焊的一般焊接过程经历加热，熔化，冶金反应，凝固结晶，固态相变，等过程。其中热输入关系到熔池的温度高低和存在时间的长短，直接影响着熔池金属的理化反应，焊缝金属的结晶和相变直接关系到焊接接头的各项性能，若控制不当反应不完全则可能出现焊缝金属的偏析，夹杂，气孔，裂纹，硬化，脆化等不良影响。随着热输入的增加，受热区的最高温度，高温停留时间，冷却速率，等参数将被改变。当焊接电流较小时，焊缝金属为胞状组织。随着电流的增加，焊缝金属为胞状树枝晶至粗大的胞状树枝晶。晶粒的增大实质是相互吞并，晶界迁移的过程。在此过程中温度越高则原子扩散能力越强，则晶粒的长大速度越快。除此以外，热输入同时对晶粒分布产生影响。随着奥氏体化温度升高，原奥氏体晶粒尺寸增加，珠光体团尺寸随之增加，先共析铁素体量减少，抗拉强度可能有所上升。随着奥氏体晶粒的细化即尺寸越小，晶粒尺寸越小则单位体积内的晶粒度越大，随着晶粒度的增大，单位变形内的晶粒数量增大且位错阻力增加且变形更为均匀，则其塑性变形量增加，因而其屈服强度较好。同时大角度晶界的比例越高，则金属断裂所需消耗功增加，因此韧性较好。反之则可能导致塑性和韧性的降低。

焊接热输入中的参数关系到焊缝金属及热影响区金属的晶粒尺寸，相变组织，化合物溶解，偏析倾向等。进而对焊接接头的塑性和韧性起影响作用。焊接热输入除影响晶粒尺寸外，其参数同时对合金元素，稀释率，金属冶金，熔滴过渡，等产生影响。进而对焊接接头的包括力学性能，化学成分，耐腐蚀性，高低温性能，等起影响作用。

结语

总而言之，焊接过程采用多层多道焊工艺，通过控制焊接热输入来调整焊接热规范，将焊接热输入控制在合理范围内，将层间温度严格控制在规定温度以下。本文主要对焊接热输入对堆焊残余应力和变形的影响以及街头性能进行了简要的探讨，希望可以提供一定的参考。