浅析焊接应力与焊接变形的控制措施

1 焊接应力与变形产生概述

焊接应力与变形是指在焊接过程中工件受电弧热的不均匀加热而产生的内应力及变形是暂时的。当工件冷却后, 任然保留在工件内部的内应力及变形叫着残余应力及残余变形。焊接应力及变形就是指的焊接的残余应力和焊接的残余变形。焊接过程是一个不平常的热循环过程, 即焊缝及其相邻区金属都要被加热到很高温度 (焊缝金属已处于液态) , 然后再快速冷却下来, 由于在这个热循环过程中, 焊件各部分的温度不同, 随后的冷却速度也各不相同因而焊件各部分在热胀冷缩和塑性变形的影响下, 必然产生内应力、变形或裂纹。焊接应力的存在将影响焊接构件的使用, 其承载能力大大降低, 甚至在外载荷改变时出现脆断的危险后果。对于接触腐蚀性介质的焊件 (管道、容器) , 由于应力的腐蚀现象加剧, 使得焊件使用期限减少, 甚至产生应力腐蚀裂纹而报废。

焊接变形和应力的形成焊接变形和应力是由诸多因素同事作用造成的。其中最主要的因素有:焊接上温度分布不均匀;熔敷金属的收缩;焊接接头金属组织转变及工件的刚性约束等。

焊接变形和应力还与焊接方法及焊接工艺参数有关。如气焊时, 热源不集中, 焊件上的热影响区面积较电弧焊大, 所以产生的焊接变形和应力亦大。又如电弧焊时电流大或焊接速度慢会导致热影响区增大, 产生的焊接变形和应力亦增大。

2 消除焊接残余应力的方法

2.1 热处理法

热处理法是利用材料在高温下屈服点下降和蠕变现象来达到松驰焊接残余应力的目的, 同时热处理还可以改善接头的性能。

(1) 整体热处理。整体炉内热处理、整体腔内热处理整体加热热处理消除残余应力的效果取决于热处理温度、保温时间、加热和冷却速度、加热方法和加热范围。保温时间根据板厚确定, 一般按每毫米板厚1min~2min计算但最短不小于30min, 最长不超过3h。

碳钢及中、低合金钢:加热温度为580℃~680℃;铸铁:加热温度为600℃~650℃。

(2) 局部热处理。局部热处理只能降低残余应力峰值, 不能完全消除残余应力。加热方法有电阻炉加热、火焰加热、感应加热、远红外加热等, 消除应力效果与加热区的范围、温度分布有关。

2.2 加载法

加载法就是通过不同方式在构件上施加一定的拉伸应力, 使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形, 与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相互抵消一部分达到松驰应力的目的。

3 焊接变形的控制

对于承受重载的重要结构件、压力容器等, 焊接应力必须加以控制。

(1) 在结构设计时应选用塑性好的材料, 要避免使焊缝密集交叉, 避免使焊缝截面过大和焊缝过长。

(2) 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, 使一个收缩力对另一个收缩力互相平衡的办法, 也同样可以在设计和焊接工序中有效地的控制变形。

(3) 采用逆向回焊法施焊。当焊接总进程从左到右时, 则每一焊道的施焊却应从右到左, 也就是分段侧焊法。因为每道施焊后, 沿焊缝板内侧处的热量将导致该处膨胀, 而使两快板暂时向外分开;但当热量在板内侧向外扩散后沿板外缘的膨胀又会使板合拢。

(4) 用反力来平衡收缩力。其反向力可以是: (1) 其它的收缩力; (2) 夹具等产生的约束力; (3) 各构件装配成组合件时的约束力 (4) 构件重力拱度向下所产生的反力。

(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。焊前对焊件预热是较为有效的工艺措施, 这样可减弱焊件各部位间的温差, 从而显著减小焊接应力。焊接中采用小能量焊接方法或锤击焊缝亦可减少焊接应力。

(6) 当需较彻底的消除焊接应力, 可采用焊后去应力退火方法来达到。此时需将焊件加热至500°C~650°C, 保温后缓缓冷却至室温。此外, 亦可采用水压试验或振动法消除焊接应力。

(7) 对于长构件的扭曲, 主要靠提高板材平整度和构件组装精度, 使坡口角度和间隙准确, 电弧的指向或对中准确, 以使焊缝角度变形和翼板及腹板纵向变形值与构件长度方向一致。

4 焊接应力的控制措施

焊接结构在焊后存在过大的应力是不允许的。从焊接结构的设计开始到焊接施工要设法防止和降低它, 焊后还要考虑是否有必要消除应力和校正变形。

4.1 合理选择焊接顺序

焊接时, 应选择尽量使多条焊缝都有自由收缩可能的焊接顺序, 具体办法如下。

(1) 对大型结构, 应从中间向四周进行施焊, 使焊缝可以由中间向外依次进行收缩。

(2) 对于平面上的交叉焊缝, 应特别注意交叉处焊接质量。如果接近纵向焊缝的横向焊缝处有缺陷 (未焊透) , 则这些缺陷正好位于纵焊缝的拉伸应力场中, 会造成三向应力状态。所以要采取保证交叉点部位不易产生缺陷而又能自由收缩的顺序, 先焊错开的短焊缝后焊直通的长焊缝。

(3) 应先焊收缩量最大的焊缝, 这是因为结构的刚性在焊接过程中是逐渐增大的, 所以先焊的焊缝在收缩时所受到的阻力会小些, 焊后的应力也就小些。如果在结构上既有对接焊缝又有角焊缝, 就应先焊对接缝, 后焊角焊缝。

(4) 应先焊在工作时受力较大的焊缝, 使内应力合理分布。在接头两端留出一段翼缘角不焊, 先焊受力最大的翼缘对接焊缝, 然后再焊腹板对接缝, 最后焊翼缘预留角焊缝。这样焊后可使翼缘的对接焊缝承受压应力, 而腹板对接缝受拉, 角焊缝留在最后焊可以保证腹板对接缝有一定的收缩余地, 同时也有利于在焊接对接缝时采取反变形措施以防止产生角变形。

(5) 减小焊缝尺寸:焊接内应力由局部加热循环而引起, 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。

(6) 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。

(7) 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。