浅析焊接应力与焊接变形产生的原因及控制措施

     摘要:随着社会经济与技术的不断发展,现代焊接向着大型化、高精度的方向发展。如何采取措施减小金属结构在焊接工序中发生的焊接应力与变形,提高焊接工序的精度,具有十分重要的现实意义。
关键词:焊接应力;焊接变形;产生原因;控制措施

在焊接过程中,常由于构件局部的温度变化而产生应力变形,进而导致构件产生变形。因此,通过对焊接结构焊接变形的分析和研究,从结构设计和焊接工艺等方面采取措施加以控制,是提高焊接质量的有效方法。
一、焊接应力和焊接变形的产生原因
产生焊接应力与变形的基本原因是由于焊接时焊件的局部被加热到高温状态,形成了焊件上温度的不均匀分布所造成的。其次,在焊接时,由于不同的焊接热循环作用引起金相组织发生转变,随之而出现体积的变化,当体积变化受到阻碍时便产生了应力,从而出现整体变形。
1、焊接应力产生原因
焊接应力按应力作用的方向分为纵向应力、横向应力和厚度方向的焊接应力。纵向焊接应力就是平行于焊缝长度方向的应力。在焊接过程中,钢板中会产生不均匀的温度场,从而产生不均匀的膨胀。在靠近焊缝一侧高温区受到热压力作用,而在远离焊缝一侧受到热拉应力的作用。焊接完毕,焊件自然冷却,在近焊缝区段产生拉应力,在稍远区段产生压应力。横向应力是垂直于焊缝轴线的应力。产生横向焊接应力的原因可分为焊缝的纵向收缩和横向收缩两个方面。在焊接过程中,两块板沿焊缝长度方向中部产生横向拉应力,两端产生压应力。冷却时,由于焊缝先后冷却时间不同,先焊的先冷却凝固,存在一定强度,阻止了后焊的焊缝在横向的自由膨胀,使其产生横向压缩变形。后焊的焊缝冷却时,横向收缩受到阻止,而产生横向拉应力,而先焊部分则产生横向压应力。厚度方向的焊接应力常发生焊缝需要多层焊中,温度沿厚度方向分布不均,表面先冷却,中间后冷却,中间部分收缩时,受到表面已凝固焊缝阻止,中间层受拉,而外层受压。
2、焊接变形产生原因
焊接变形分局部变形和整体变形。局部变形指焊接结构的某部分发生变形,它在焊接中易矫正;整体变形指整个结构的形状或尺寸发生变化,是由于焊缝在各个方向上的收缩所引起的,在焊接中尤为重要,一般不允许发生整体变形。焊接变形产生的原因很多,不均匀的局部加热和冷却是最主要原因。焊接时,焊件的局部被加热到熔化状态,形成了焊件上温度的不均匀分布区,使焊件出现不均匀的热膨胀,热膨胀受到周围金属的阻碍不能自由膨胀而受到压应力,周围的金属则受到拉应力。当被加热金属受到的压应力超过其屈服点时,就会产生塑性变形;焊件冷却时,由于加热的金属在加热时已产生了压缩的塑性变形,所以,最后的长度要比未被加热金属的长度短些。
除此之外,焊接方法、接头形式、坡口形式、坡口角度、焊件装配间隙、对口质量、焊接速度和焊接顺序等都会对焊接变形和焊接应力造成影响。
二、焊接应力的控制措施与消除方法
1、控制焊接应力产生的措施
焊接件内残留有内应力是不可避免的,但可以根据产生机理和规律寻找一些措施来有效的控制它,使之危害程度降至最小。
控制内应力的方法其基本要求有两个:焊件上热量尽量均匀和尽量减少对焊缝自由收缩的限制。通常采用的工艺措施有两种:一是采用合理的装配与焊接顺序。主要是在装配和焊接的顺序安排上尽量使焊缝能自由的收缩,便可有效的控制焊接应力;二是采用焊前预热泵技术,被焊工件各部位的温差越大,焊缝的冷却速度越快则焊接接头的残余应力越大。预热既能减小工件各部位的温差,又能减缓冷却速度,所以是降低焊接残余应力的有力措施之一。预热可分为局部预热或整体预热。对刚性大、厚度大的工件,应整体预热,这样降低残余应力的效果更佳。
除了上面两种控制应力的方法外,还有在焊接结构的设计上采取措施,例如:对称布置焊缝、避免封闭焊缝等。以及对阻碍焊接接头自由收缩的部位加温,使之与焊缝同步伸缩,这种方法称为“减应法”。
2、消除焊接应力的方法
消除焊接应力的方法主要有:热处理法、机械法、振动法。
焊后热处理是消除残余应力的有效方法,也是广泛采用的方法。它可分为整体热处理和局部热处理。一般是将被焊工件加热到A1线以下,保温均匀,再缓慢冷却,以达到残余应力消除。如Q235B、16MnR材料焊后热处理的温度一般选为625℃±25℃。
机械法,用机械的方法施加外力使冷却后的焊缝金属产生延展,以达到消除应力的目的,这种方法叫机械法消除应力。如锤击焊缝;在卷板机上压辗焊缝;对焊缝结构实行有控制的过载等都是机械法消除应力的方法。
振动法泵技术,水泵技术,泵阀技术,水泵CFD,泵数值模拟,以低频率震动整个构件以达到消除应力的目的。
三、焊接变形的控制措施与消除方法
焊接变形决定于结构参数(包括焊件结构的几何形状、板厚及焊缝类型等)、材料参数(包括基体材料、焊接材料种类和状态)和制作因素(包括焊接工艺、焊接参数、组焊程序等)。因此控制焊接变形也得从这些方面入手。
1、从焊缝着手控制焊接变形的措施
首先,要选择合理的焊缝尺寸。焊缝尺寸的大小不仅关系到焊接工作量,而且对焊接变形也产生较大的影响。焊缝尺寸过大,焊接量就大,焊接变形就越大;而过小的焊缝尺寸,由于冷却速度过快,容易产生一系列的焊接缺陷,影响焊接质量和降低焊缝的力学性能。因此,在保证结构承载力和焊缝的焊接质量的前提下,应选取最小的焊缝尺寸。
其次,应安排合理的焊缝位置。对于焊缝位置的选取,应尽可能在对称于截面中性轴,或接近于中性轴的位置上安排焊缝。对于对称的焊接结构,焊缝布置应对称于中性轴;对于不对称的焊接结构,采用合理的焊接顺序,均会使焊接变形明显减少。
再次,焊缝坡口形式的合理选择也很重要。焊缝的坡口形式对焊接变形的影响较大。焊缝的坡口角度越大,熔敷金属的填充量就越大,沿着板厚方向的横向收缩就越不均匀,焊接变形就越大。通常情况下,不开坡口的焊缝因为熔敷金属填充量小,比开坡口的焊缝焊接变形要小。
最后,应尽量减少不必要的焊缝。在焊接结构设计中,常用筋板来提高钢结构的稳定性和刚度,但是筋板数量太多,焊缝过于密集,产生的热量大,焊接变形就越大。因此,应在保证构件强度的情况下,尽量减少不必要的焊缝。
2、选择合理的焊接方法和并规范操作
选择焊接方法和规范的原则是:在保证焊接质量和力学性能的前提下,选用较低的线能量,能有效地防止焊接变形。例如:埋弧自动焊与手工电弧焊相比,功率大,热利用率高,焊接速度快,焊缝收缩小,焊接变形就小;气焊比电弧焊的焊后变形大,也是因为气焊时,焊件受热范围大,加上焊接速度慢,使金属受热体积增大,导致焊后变形大。用二氧化碳气体保护焊代替手工电弧焊,不仅生产效率可以提高,而且焊接变形也小。
3、采用反变形法进行焊接变形控制
根据生产中已经发生的焊接变形的规律,预先把焊件人为地制成一个变形,使这个变形与焊接后发生的变形方向相反而且数值大小相等,以达到防止产生焊接残余变形。这种方法在实际生产中使用较广泛。例如:采用外力或夹具将构件紧压在具有足够刚度的平台上,使它产生一个反变形,然后再进行焊接。
4、矫正焊接变形的方法
当前矫正焊接变形的方法主要有两种:一是机械矫正法。即利用外力使被焊金属产生与焊接变形方向相反的塑性变形,使两者相互抵消。除压力外,还可用锤击法来延展焊缝及其周围压缩塑性变形区域的金属,达到消除焊接变形的目的;二是火焰加热矫正法。即利用火焰局邵加热时产生的压缩塑性变形,使较长的金属冷却后收缩,来达到矫正变形的目的。矫正应遵循如下两个原则:①矫正位置要正确。须分析构件变形的原因及构件的内在联系,搞清各部件相互间的制约关系。②矫正顺序要正确。先矫正主要变形,后矫正次要变形,多种矫正方法并用时要注意几种方法的先后顺序。

参考文献:
[1]张洪哲 田辉鹅《焊接应力和变形的控制方法》[J] 企业科技与发展 2009(2);
[2]朱江《焊接变形的控制和预防》[J] 电焊机 2009(8));
[3]熊大胜《减少大型焊接结构件变形的措施》[J] 金属加工(热加工) 2010(2)。
相关阅读    
  • 焊接应力\焊接变形的产生和控制
  • 控制焊接残余应力的工艺措施
  • 如何控制焊接应力和变形(二)
  • 焊接应力与变形产生的原因是什么?
  • 焊接应力与变形的分类控制(二)
  • 焊接应力与变形的分类控制(二)
  • 焊接变形和焊接应力产生的原因和预防措施
  • 焊接钢制罐体焊接应力与变形的控制应用
  • 立式拱顶油罐焊接应力与变形控制措施
  • 焊接应力与变形
  •  

     收录时间:2017-03-14 06:53 来源:未知  作者:匿名
    上一篇:焊接技术要求教材概述  (电脑版  手机版)
    Copyright by www.chinabaike.com;All rights reserved. 联系我们