云南省焊工證：焊接應(yīng)力和變形產(chǎn)生的原因
焊接過程是金屬進(jìn)行局部加熱和冷卻的過程，即焊接熱循環(huán)過程。焊接熱循環(huán)指焊接過程中，在焊接熱源的作用下，工件上某點溫度隨時間變化的過程，其特征是加熱速度很快，在最高溫度下停留時間很短，隨后各點按照不同的冷卻速度進(jìn)行冷卻，因此工件上溫度的分布具有不均勻性，如圖5-1所示。低碳鋼熔池的平均溫度達(dá)到1700℃以上，熔池周圍溫度迅速遞減。在此過程中造成金屬內(nèi)部不均勻的膨脹和收縮，結(jié)果產(chǎn)生了焊接應(yīng)力和焊接變形。對于普通金屬結(jié)構(gòu)而言，焊后產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形的基本原因則是焊后焊縫 區(qū)的金屬發(fā)生了縱向和橫向收縮。
焊工是一種技術(shù)型工種，從事焊工必須持上崗證工作，焊工操作證每3年需要復(fù)審一次。一人一證持證上崗，全國通用。（焊工上崗證以應(yīng)急管理部（原安監(jiān)局）頒發(fā)的特種作業(yè)證書為準(zhǔn)）
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假設(shè)在焊接過程中工件整體均勻受熱，則加熱膨脹和冷卻收縮將不受拘束而處于自由狀態(tài)。那么焊后工件不會產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形，見表5-1。但實際上工件是局部不均勻地加熱和冷卻。用一根金屬棒進(jìn)行不均勻加熱和冷卻實驗，可以模擬金屬材料的焊接過程。
金屬棒加熱時，膨脹受到阻礙，產(chǎn)生了壓應(yīng)力，在壓應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生一定熱壓縮塑性變形。冷卻時，金屬棒可以自由收縮，冷卻到室溫后金屬棒長度有所縮短，應(yīng)力消失。
由表5-3可知，金屬棒在加熱和冷卻過程中都受到拘束，其長度幾乎不能伸長也不能縮短。加熱時，棒內(nèi)產(chǎn)生壓縮塑性變形;冷卻時的收縮使棒內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力和拉伸變形。當(dāng)冷卻到室溫后，金屬棒長度幾乎不變，但金屬棒內(nèi)產(chǎn)生了較大的拉伸應(yīng)力。
在焊接過程中，電弧熱源對工件進(jìn)行了局部加熱，整個工件溫度處于不均勻狀態(tài)，焊縫及其附近金屬加熱到高溫時，由于受到周圍溫度較低部分金屬的阻礙，不能自由膨脹而產(chǎn)生了壓應(yīng)力，如果壓應(yīng)力足夠大就會產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)焊縫及其附近金屬冷卻發(fā)生收縮時，同樣會由于周圍較低溫度的焊縫金屬的拘束，不能自由收縮，在產(chǎn)生一定的拉伸變形的同時，產(chǎn)生了焊接拉應(yīng)力。
例如試板不受拘束，則高溫時能自由膨脹，冷卻后不受任何拘束自由收縮，由于熔敷金屬的填充量較多，因而自由收縮量較大，會產(chǎn)生角變形，但沒有焊接應(yīng)力。如果對V形坡口平板對焊進(jìn)行剛性固定，則加熱膨脹在試板內(nèi)會產(chǎn)生壓應(yīng)力和壓縮變形，冷卻收縮在試板內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力和拉伸塑性變形。冷卻到室溫后，若解除拘束，則試板變形很小幾乎看不出來，但其內(nèi)部會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，如圖5-2所示。
由以上分析可知，焊接過程中，對工件進(jìn)行局部不均勻加熱是產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形的主要原因。焊接接頭的收縮造成了焊接結(jié)構(gòu)的各種變形。另外在焊接過程中，焊接接頭晶粒組織發(fā)生轉(zhuǎn)變引起體積的變化，也會在金屬內(nèi)部產(chǎn)生焊接應(yīng)力，同時也可能引起焊接變形。焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形同時存在，又相互制約。如果外力使焊接殘余變形減小，則殘余應(yīng)力會增大;如果使殘余應(yīng)力減小，則殘余變形會增大，應(yīng)力和變形同時完全消除是不可能的。
