焊接技术篇-焊接应力与焊接变形及其控制

 浏览量:      发布于：2018-11-20
       焊接残余应力和变形会对焊接构件的承载力和构件的加工精度造成影响。应从设计、焊接工艺、焊接方法、装配工艺等方面着手，采取相应的措施以降低焊接残余应力和减小焊接残余变形。本条主要知识点是:焊接应力与变形产生机理;焊接残余应力的危害及降低焊接应力的措施;焊接变形的危害性及预防焊接变形的措施。
（一）焊接应力

• 焊接过程中由于温度场的变化及焊件间的约束.在焊缝及附近区域产生的应力称为焊接应力。焊接过程中产生的应力超过材料的弹性极限.以致冷却后在焊件中留有未能消除的应力称为焊接残余应力。

（二）变形产生的机理

• 焊接热输入引起材料局部加热.使焊缝区熔化，而熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制，受压产生变形。在冷却过程中，已发生变形的这部分材料又受到周围材料的制约，不能自由收缩，在不同程度上又拉伸而产生变形。与此同时，熔池凝固，金属冷却收缩也产生了相应的收缩拉应力和变形。这种随焊接热过程而变化的内应力场和构件变形，称为瞬态应力与变形。在室温条件下，焊后残留于构件中的内应力场和宏观变形称为焊接残余应力与焊接残余变形。

（三）焊接残余应力的危害
        影响构件承受静载能力;造成结构脆性断裂;影响结构的疲劳强度;影响结构的刚度和稳定'性;应力区易产生应力腐蚀和开裂;影响构件精度和尺寸的稳定性。

1. 对结构刚度的影响

• 当外部载荷产生的应力与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外部载荷的能力，造成结构的有效截面积减小，结构的刚度也随之降低。

2. 对受压杆件稳定性的影响

• 当外部载荷引起的压应力与残余应力中的压应力叠加之和达到屈服点，这一部分截面就丧失进一步承受外部载荷的能力。这就削弱了构件的有效截面积，并改变了有效截面积的分布，降低了受压杆件的稳定性。

3. 对静载强度的影响

• 没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一定的塑性变形能力，残余应力不影响结构的静载强度。反之，如材料处于脆性状态，则拉伸残余应力和外部载荷应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到断裂强度，导致结构早期破坏。

4. 对疲劳强度的影响

• 残余应力的存在使变载荷的应力循环发生偏移。这种偏移，只改变其平均值.不改变其幅值。结构的疲劳强度与应力循环的特征有关.当应力循环的平均值增加时.其极限幅值就降低，反之则提高。因此，如应力集中处存在着残余应力，疲劳强度将降低。

5. 对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响

• 把一部分材料从焊件上机械切除时，此处的残余应力也被释放。残余应力原来的平衡状态被破坏，焊件发生变形，加工精度受影响。

6. 对应力腐蚀开裂的影响

• 应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀共同作用下产生裂纹的现象，在一定材料和介质的组合下发生。应力腐蚀开裂所需的时间与残余应力大小有关，拉伸残余应力越大，应力腐蚀开裂的时间越短。

（四）降低焊接应力的措施

1. 设计措施

• 构件设计时尽量减少焊缝的数量和尺寸，可减小变形量，同时降低焊接应力。
• 构件设计时应避免焊缝过于集中，从而避免焊接应力峰值叠加。
• 优化设计结构，如将容器的接管口设计成翻边式，少用承插式。

2. 工艺措施

• 采用较小的焊接线能量：较小的焊接线能量的输入能有效地减小焊缝热塑变的范围和温度梯度的幅度，从而降低焊接应力。
• 合理安排装配焊接顺序：合理的焊接顺序，使焊缝有自由收缩的余地，降低焊接中的残余应力。例如，在大型储罐底板的焊接中，先进行短焊缝的焊接，焊接过程中不要加外力约束，使其能够自由收缩，可以有效地降低短焊缝中的残余应力。
• 层间进行锤击：焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属晶粒间的应力得以释放，能有效地减少焊接残余应力从而降低焊接应力。例如，在进行铸铁部件的焊接时，不及时进行敲击以释放应力，焊缝周边的母材会出现明显的裂纹。
• 预热拉伸补偿焊缝收缩(机械拉伸或加热拉伸)：对于那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，采用预热或机械方式，使之与焊接区同时拉伸(膨胀)和同时压缩(收缩) ，就能减小焊接应力，这种方法称为预热拉伸补偿法。
• 焊接高强钢时，选用塑性较好的焊条：选用塑性较好的焊条施焊，由于焊缝的金属填充物具有良好的塑性，通过塑性变形，可有效地减小内应力。
• 采用整体预热：构件本体上温差越大，焊接残余应力也越大。焊前对构件进行预热，能减小温差和减慢冷却速度，两者均能减小焊接残余应力。
• 消氢处理：采用低氢焊条以降低焊缝中的含氢量。焊后及时进行消氢处理。都能有效降低焊缝中的氢含量，减小氢致集中应力。消氢处理的温度一般为300-350摄氏度，保温2-6h 后冷却。消氢处理的主要目的是使焊缝金属中的扩散氢迅速逸出，降低焊缝及热影响区的含氢量，防止氢致应力集中而产生冷裂纹。
• 采用热处理的方法：整体高温回火、局部高温回火或温差拉伸法(低温消除应力法，伴随焊缝两侧的加热同时加水冷却)。由于构件残余应力的最大值通常可达到该种材料的屈服点极限，而金属在高温下屈服点将降低。所以将构件的温度升高至某一定数值时，内应力得以部分释放，残余应力的最大值也减少到该温度对应的屈服极限以下。如果要完全消除结构中的残余应力，则必须将构件加热到其屈服点等于零的温度，所以一般所取的回火温度接近于这个温度。
• 利用振动法来消除焊接残余应力：构件承受变载荷应力达到一定数值，经过多次振动后，结构中的残余应力逐渐降低，即利用振动的方法可以消除部分焊接残余应力。一般大型焊件使用振动器消除应力。振动法的优点是设备简单、成本低，时间比较短，没有高温回火时的氧化问题，已在生产上得到一定应用。例如，大推力火箭的焊接组件，就采用振动平台来消除内应力。

（五）焊接变形的分类
焊接变形可以区分为在焊接热过程中发生的瞬态热变形和室温条件下的残余变形。就残余变形而言，又可分为焊件的面内变形和面外变形。

1. 面内变形:可分为焊缝纵向收缩变形、横向收缩变形和焊缝回转变形。
2. 面外变形:可分为角变形、弯曲变形、扭曲变形、失稳波浪变形。

（六）焊接变形的危害

• 降低装配质量;影响外观质量，降低承载力;增加矫正工序，提高制造成本。

（七）预防焊接变形的措施

1. 进行合理的焊接结构设计

• 合理安排焊缝位置。焊缝尽量以构件截面的中性轴对称;焊缝不宜过于集中。
• 合理选择焊缝尺寸和形状。在保证结构有足够承载力的前提下，应尽量选择较小的焊缝尺寸，同时选用对称的坡口。
• 尽可能减少焊缝数量，减小焊缝长度。

2. 采取合理的装配工艺措施

• 预留收缩余量法：为了防止焊件焊接以后发生尺寸缩短，可以通过计算，将预计发生缩短的尺寸在焊前预留出来。为了保证预留的准确，应将估算、经验和实测三者相结合起来。
• 反变形法：为了抵消焊接变形，在焊前装配时，先将焊件向焊接变形相反的方向进行人为的变形，这种方法称为反变形法。只要预计准确，反变形控制得当，就能取得良好的效果。反变形法常用来控制角变形和防止壳体局部下塌。
• 刚性固定法：刚性固定法适用于较小的焊件，在焊接施工中应用较多，对防止角变形和波浪变形有显著的效果。为了防止薄板焊接时的变形，常在焊缝两侧加型钢、压铁或棋子压紧固定。此法在焊接大型储罐底板时采用较多。装配压力容器及球罐时，往往采用弧形加强板、日字形夹具进行刚性固定。
• 合理选择装配程序：对于大型焊接结构，适当地分成几个部件.分别进行装配焊接，然后再拼焊成整体。这样，小部件可以自由地收缩.而不至于引起整体结构的变形。如储罐底板焊接可以先焊短焊缝，再焊长焊缝。

3. 采取合理的焊接工艺措施

• 合理的焊接方法。尽量用气体保护焊等热源集中的焊接方法。不宜用焊条电弧焊，特别不宜选用气焊。
• 合理的焊接线能量。尽量减小焊接线能量的输入能有效地减小变形。
• 合理的焊接顺序和方向。
• 进行层间锤击(打底层不适于锤击)。