一建機電教材解讀：1H412033 焊接應(yīng)力與焊接變形及其控制

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　　1H412033 焊接應(yīng)力與焊接變形及其控制

　　焊接殘余應(yīng)力和變形，會對焊接構(gòu)件的承載力和構(gòu)件的加工精度造成影響。應(yīng)從設(shè)計、焊接工藝、焊接方法、裝配工藝等方面著手，采取相應(yīng)的措施以降低焊接殘余應(yīng)力和減小焊接殘余變形。本條主要知識點是：焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生機理;焊接殘余應(yīng)力的危害及降低焊接應(yīng)力的措施;焊接變形的危害性及預(yù)防焊接變形的措施。

　　一、焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生機理

　　(一)焊接應(yīng)力

　　焊接過程中由于溫度場的變化及焊件間的約束，在焊縫及附近區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力稱為焊接應(yīng)力。焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力超過材料的彈性極限，以致冷卻后在焊件中留有未能消除的應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力。

　　(二)變形產(chǎn)生的機理

　　焊接熱輸入引起材料局部加熱，使焊縫區(qū)熔化，而熔池毗鄰的高溫區(qū)材料的熱膨脹則受到周圍材料的限制，受壓產(chǎn)生變形。在冷卻過程中，已發(fā)生變形的這部分材料又受到周圍材料的制約，不能自由收縮，在不同程度上又拉伸而產(chǎn)生變形。與此同時，熔池凝固，金屬冷卻收縮也產(chǎn)生了相應(yīng)的收縮拉應(yīng)力和變形。這種隨焊接熱過程而變化的內(nèi)應(yīng)力場和構(gòu)件變形，稱為瞬態(tài)應(yīng)力與變形。在室溫條件下，焊后殘留于構(gòu)件中的內(nèi)應(yīng)力場和宏觀變形稱為焊接殘余應(yīng)力與焊接殘余變形。

　　二、焊接殘余應(yīng)力的危害及降低焊接應(yīng)力的措施

　　(一)焊接殘余應(yīng)力的危害

　　影響構(gòu)件承受靜載能力;造成結(jié)構(gòu)脆性斷裂;影響結(jié)構(gòu)的疲勞強度;影響結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性;應(yīng)力區(qū)易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和開裂;影響構(gòu)件精度和尺寸的穩(wěn)定性。

　　1.對結(jié)構(gòu)剛度的影響

　　當外部載荷產(chǎn)生的應(yīng)力與結(jié)構(gòu)中某區(qū)域的殘余應(yīng)力疊加之和達到屈服點時，這一區(qū)域的材料就會產(chǎn)生局部塑性變形，喪失了進_步承受外部載荷的能力，造成結(jié)構(gòu)的有效截面積減小，結(jié)構(gòu)的剛度也隨之降低。

　　2.對受壓桿件穩(wěn)定性的影響

　　當外部載荷引起的壓應(yīng)力與殘余應(yīng)力中的壓應(yīng)力疊加之和達到屈服點，這一部分截面就喪失進一步承受外部載荷的能力。這就削弱了構(gòu)件的有效截面積，并改變了有效截面積的分布，降低了受壓桿件的穩(wěn)定性。

　　3.對靜載強度的影響

　　沒有嚴重應(yīng)力集中的焊接結(jié)構(gòu)，只要材料具有一定的塑性變形能力，殘余應(yīng)力不影響結(jié)構(gòu)的靜載強度。反之，如材料處于脆性狀態(tài)，則拉伸殘余應(yīng)力和外部載荷應(yīng)力疊加有可能使局部區(qū)域的應(yīng)力首先達到斷裂強度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)早期破壞。

　　4.對疲勞強度的影響

　　殘余應(yīng)力的存在使變載荷的應(yīng)力循環(huán)發(fā)生偏移。這種偏移，只改變其平均值，不改變其幅值。結(jié)構(gòu)的疲勞強度與應(yīng)力循環(huán)的特征有關(guān)，當應(yīng)力循環(huán)的平均值增加時，其極限幅值就降低，反之則提高。因此，如應(yīng)力集中處存在著殘余應(yīng)力，疲勞強度將降低。

　　5.對焊件加工精度和尺寸穩(wěn)定性的影響

　　把一部分材料從焊件上機械切除時，此處的殘余應(yīng)力也被釋放。殘余應(yīng)力原來的平衡狀態(tài)被破壞，焊件發(fā)生變形，加工精度受影響。

　　6.對應(yīng)力腐蝕開裂的影響

　　應(yīng)力腐蝕開裂是拉伸殘余應(yīng)力和化學(xué)腐蝕共同作用下產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，在一定材料和介質(zhì)的組合下發(fā)生。應(yīng)力腐蝕開裂所需的時間與殘余應(yīng)力大小有關(guān)，拉伸殘余應(yīng)力越大，應(yīng)力腐蝕開裂的時間越短。

　　(二)降低焊接應(yīng)力的措施

　　1.設(shè)計措施

　　(1)構(gòu)件設(shè)計時盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸，可減小變形量，同時降低焊接應(yīng)力。

　　(2)構(gòu)件設(shè)計時應(yīng)避免焊縫過于集中，從而避免焊接應(yīng)力峰值疊加。

　　(3)優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，如將容器的接管口設(shè)計成翻邊式，少用承插式。

　　2.工藝措施

　　(1)采用較小的焊接線能量

　　較小的焊接線能量的輸入能有效地減小焊縫熱塑變的范圍和溫度梯度的幅度，從而降低焊接應(yīng)力。

　　(2)合理安排裝配焊接順序

　　合理的焊接順序，使焊縫有自由收縮的余地，降低焊接中的殘余應(yīng)力。例如，在大型儲罐底板的焊接中，先進行短焊縫的焊接，焊接過程中不要加外力約束，使其能夠自由收縮，可以有效地降低短焊縫中的殘余應(yīng)力。

　　(3)層間進行錘擊

　　焊后用小錘輕敲焊縫及其鄰近區(qū)域，使金屬晶粒間的應(yīng)力得以釋放，能有效地減少焊接殘余應(yīng)力從而降低焊接應(yīng)力。例如，在進行鑄鐵部件的焊接時，不及時進行敲擊以釋放應(yīng)力，焊縫周邊的母材會出現(xiàn)明顯的裂紋。

　　(4)預(yù)熱拉伸補償焊縫收縮(機械拉伸或加熱拉伸)

　　對于那些阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位，采用預(yù)熱或機械方式，使之與焊接區(qū)同時拉伸(膨脹)和同時壓縮(收縮)，就能減小焊接應(yīng)力，這種方法稱為預(yù)熱拉伸補償法。

　　(5)焊接高強鋼時，選用塑性較好的焊條

　　選用塑性較好的焊條施焊，由于焊縫的金屬填充物具有良好的塑性，通過塑性變形，可有效地減小內(nèi)應(yīng)力。

　　(6)采用整體預(yù)熱

　　構(gòu)件本體上溫差越大，焊接殘余應(yīng)力也越大。焊前對構(gòu)件進行預(yù)熱，能減小溫差和減慢冷卻速度，兩者均能減小焊接殘余應(yīng)力。

　　(7)消氫處理

　　采用低氫焊條以降低焊縫中的含氫量。焊后及時進行消氫處理。都能有效降低焊縫中的氫含量，減小氫致集中應(yīng)力。

　　消氫處理的溫度一般為300～350℃，保溫2～6 h后冷卻。消氫處理的主要目的是使焊縫金屬中的擴散氫迅速逸出，降低焊縫及熱影響區(qū)的含氫量，防止氫致應(yīng)力集中而產(chǎn)生冷裂紋。

　　(8)采用熱處理的方法

　　整體高溫回火、局部高溫回火或溫差拉伸法(低溫消除應(yīng)力法，伴隨焊縫兩側(cè)的加熱同時加水冷卻)。由于構(gòu)件殘余應(yīng)力的最大值通常可達到該種材料的屈服點極限，而金屬在高溫下屈服點將降低。所以將構(gòu)件的溫度升高至某一定數(shù)值時，內(nèi)應(yīng)力得以部分釋放，殘余應(yīng)力的最大值也減少到該溫度對應(yīng)的屈服極限以下。如果要完全消除結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力，則必須將構(gòu)件加熱到其屈服點等于零的溫度，所以一般所取的回火溫度接近于這個溫度。

　　(9)利用振動法來消除焊接殘余應(yīng)力

　　構(gòu)件承受變載荷應(yīng)力達到一定數(shù)值，經(jīng)過多次振動后，結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力逐漸降低，即利用振動的方法可以消除部分焊接殘余應(yīng)力。一般大型焊件使用振動器消除應(yīng)力。振動法的優(yōu)點是設(shè)備簡單、成本低，時間比較短，沒有高溫回火時的氧化問題，已在生產(chǎn)上得到一定應(yīng)用。例如，大推力火箭的焊接組件，就采用振動平臺來消除內(nèi)應(yīng)力。

　　三、焊接變形的危害性及預(yù)防焊接變形的措施

　　(一)焊接變形的分類

　　焊接變形可以區(qū)分為在焊接熱過程中發(fā)生的瞬態(tài)熱變形和室溫條件下的殘余變形。就殘余變形而言，又可分為焊件的面內(nèi)變形和面外變形。

　　1.面內(nèi)變形：可分為焊縫縱向收縮變形、橫向收縮變形和焊縫回轉(zhuǎn)變形。

　　2.面外變形：可分為角變形、彎曲變形、扭曲變形、失穩(wěn)波浪變形。

　　(二)焊接變形的危害

　　降低裝配質(zhì)量;影響外觀質(zhì)量，降低承載力;增加矯正工序，提高制造成本。

　　(三)預(yù)防焊接變形的措施

　　1.進行合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　(1)合理安排焊縫位置。焊縫盡量以構(gòu)件截面的中性軸對稱;焊縫不宜過于集中。

　　(2)合理選擇焊縫尺寸和形狀。在保證結(jié)構(gòu)有足夠承載力的前提下，應(yīng)盡量選擇較小的焊縫尺寸，同時選用對稱的坡口。

　　(3)盡可能減少焊縫數(shù)量，減小焊縫長度。

　　2.采取合理的裝配工藝措施

　　(1)預(yù)留收縮余量法

　　為了防止焊件焊接以后發(fā)生尺寸縮短，可以通過計算，將預(yù)計發(fā)生縮短的尺寸在焊前預(yù)留出來。為了保證預(yù)留的準確，應(yīng)將估算、經(jīng)驗和實測三者相結(jié)合起來。

　　(2)反變形法

　　為了抵消焊接變形，在焊前裝配時，先將焊件向焊接變形相反的方向進行人為的變形，這種方法稱為反變形法。只要預(yù)計準確，反變形控制得當，就能取得良好的效果。反變形法常用來控制角變形和防止殼體局部下塌。

　　(3)剛性固定法

　　剛性固定法適用于較小的焊件，在焊接施工中應(yīng)用較多，對防止角變形和波浪變形有顯著的效果。為了防止薄板焊接時的變形，常在焊縫兩側(cè)加型鋼、壓鐵或楔子壓緊固定。此法在焊接大型儲罐底板時采用較多。裝配壓力容器及球罐時，往往采用弧形加強板、日字形夾具進行剛性固定。

　　(4)合理選擇裝配程序

　　對于大型焊接結(jié)構(gòu)，適當?shù)胤殖蓭讉€部件，分別進行裝配焊接，然后再拼焊成整體。這樣，小部件可以自由地收縮，而不至于引起整體結(jié)構(gòu)的變形。如儲罐底板焊接可以先焊短焊縫，再焊長焊縫。

　　3.采取合理的焊接工藝措施

　　(1)合理的焊接方法。盡量用氣體保護焊等熱源集中的焊接方法。不宜用焊條電弧焊，特別不宜選用氣焊。

　　(2)合理的焊接線能量。盡量減小焊接線能量的輸入能有效地減小變形。

　　(3)合理的焊接順序和方向。

　　(4)進行層間錘擊(打底層不適于錘擊)。