焊接變形和焊接應(yīng)力
焊接是一種局部加熱的加工方法,熱源集中在焊縫處加熱,因而造成焊件上溫分布不均勻,最終導(dǎo)致在焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了焊接變形與焊接應(yīng)力。
一、焊接變形
1. 焊接變形的概念
由焊接而引起的焊件尺寸和形狀的改變稱為焊接變形。焊接過程結(jié)束后,殘國在焊接結(jié)構(gòu)中的變形,稱為焊接殘余變形。本書中提到的焊接變形指的是焊接殘余變形。
2. 焊接變形的類型及產(chǎn)生原因
焊接變形可分為收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形、扭曲變形等幾種形式焊件局部(焊縫和焊縫附近的金屬)不均勻加熱和冷卻是產(chǎn)生焊接變形的根本用因。焊接時(shí),加熱是通過移動(dòng)的高溫電弧熱源進(jìn)行的,焊縫和焊縫附近的金屬溫度很高,受熱金屬要膨脹,其余大部分金屬不受熱,受熱金屬的膨脹受到阻礙和抑制,生了壓縮塑性變形。焊完冷卻后,焊縫和附近的金屬因收縮而變短,卻又受到周圍受熱金屬的限制,就使焊件產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力,以致產(chǎn)生變形。
各類焊接變形的具體原因各不相同,與焊縫在焊件中的位置、加熱方法、焊接序等因素密切相關(guān)。焊接變形的類型及產(chǎn)生原因見表2-3-7。
3. 預(yù)防和矯正焊接變形的方法及措施
(1)預(yù)防焊接變形的方法及措施
預(yù)防焊接變形可以從焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝兩方面進(jìn)行。
在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要在保證結(jié)構(gòu)有足夠強(qiáng)度的前提下,盡量減小焊縫的數(shù)量和尺寸;對(duì)稱布置焊縫;必要時(shí)預(yù)先留出收縮余量;采用沖壓結(jié)構(gòu)代替焊接結(jié)構(gòu);將焊縫布置在最大工作應(yīng)力之外等。
預(yù)防焊接殘余變形的工藝措施主要有∶
1)選擇合理的裝配焊接順序。裝配焊接順序?qū)附咏Y(jié)構(gòu)變形的影響很大。對(duì)稱焊接、不對(duì)稱焊縫先焊焊縫少的一側(cè)和減少長道直焊縫等都可以很大程度上減少焊接變形量。如圖2-3-13所示的工字梁,當(dāng)采用1、2、3、4的焊接順序時(shí),雖然結(jié)構(gòu)的焊縫對(duì)稱,焊后仍將產(chǎn)生較大的上拱彎曲變形,但如果改為將工字梁1、2焊縫的長度分成若干段,采取分段、跳焊的對(duì)稱焊接,先焊完總長度的60%~70%,然后將工字果翻轉(zhuǎn)180°焊接3、4焊縫,也采取分段、跳焊的對(duì)稱焊將3、4焊縫全部焊完。再將工字梁翻轉(zhuǎn),采取同樣的焊法,焊完1、2焊縫,彎曲變形可以降到很小。
2)反變形法。根據(jù)焊件的變形規(guī)律,焊前預(yù)先將焊件向著與焊接變形的相反方向進(jìn)行人為的變形,使之與焊接變形相抵消。反變形法主要用于控制焊件的角變形和彎曲變形。鋼板對(duì)接焊縫的反變形如圖 2-3-14 所示。
3)剛性固定法。將焊件固定在具有足夠剛度的胎架機(jī)具上,或者臨時(shí)裝焊支撐,來增加焊件的剛度或拘束度,以達(dá)到減小焊接變形的目的。薄板剛性固定法如圖 2-3-15 所示。
4)留余量法。在下料時(shí),將零件的長度或?qū)挾瘸叽绫仍O(shè)計(jì)尺寸適當(dāng)加大,以補(bǔ)償焊件的收縮。留余量法主要是用于防止焊件的收縮變形。
5)選擇合適的焊接方法和焊接參數(shù)。由于各種焊接方法的熱輸入不同,因而產(chǎn)生的焊接變形也不一樣。能量集中和熱輸入較低的焊接方法,可有效地降低焊接變形。6)熱平衡法。對(duì)于某些焊縫不對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu),焊后往往會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。如果在與焊縫對(duì)稱的位置上采用氣體火焰與焊接同步加熱,只要加熱的工藝參數(shù)選擇適當(dāng),就可以減小或防止構(gòu)件的彎曲變形。如圖2-3-16所示,采用熱平衡法對(duì)邊梁箱形結(jié)構(gòu)的焊接變形進(jìn)行控制。
7)散熱法。散熱法就是通過各種方式將焊縫及其附近處的熱量迅速帶走,減小焊縫及其附近的受熱區(qū),達(dá)到減小焊接變形的目的,如圖2-3-17所示。
(2)焊接變形的矯正
零件或部件的焊接變形給裝配帶來困難,進(jìn)而影響后續(xù)焊接質(zhì)量,降低焊接接頭的性能和承載能力。因此,當(dāng)焊接變形超出要求后,需要對(duì)變形進(jìn)行矯正。 1)手工矯正法。手工矯正法是利用錘子等工具錘擊焊件的變形處,使材料產(chǎn)生延伸以補(bǔ)償焊接收縮量,主要用于一些小型簡單焊件的變形矯正。
2)機(jī)械矯正法。機(jī)械矯正法是在機(jī)械力的作用下使部分金屬得到延伸,產(chǎn)生拉伸塑性變形,使變形的構(gòu)件恢復(fù)到所要求的形狀。機(jī)械矯正法一般適用于塑性比較好的材料及形狀簡單的焊件。工字梁的機(jī)械矯正如圖 2-3-18 所示。
3)火焰矯正法;鹧娉C正法是采用火焰對(duì)焊件進(jìn)行局部加熱,使焊件產(chǎn)生新的變形以抵消原先的焊接變形;鹧娉C正法設(shè)備簡單,操作方便,在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。火焰矯正法主要用于矯正彎曲變形、角變形、波浪變形等,也可用于矯正扭曲變形。
火焰加熱的方式有點(diǎn)狀加熱、線狀加熱和三角形加熱三種,用于不同對(duì)象的矯正,如圖2-3-19 所示。
二、焊接應(yīng)力
1. 焊接應(yīng)力的概念
焊接應(yīng)力是在焊接過程中及焊接過程結(jié)束后存在于焊件中的內(nèi)應(yīng)力。
2. 焊接應(yīng)力的分類及產(chǎn)生原因
(1)按造成焊接應(yīng)力的原因分
1)溫度應(yīng)力(熱應(yīng)力)。由于焊接時(shí)焊件受熱不均勻?qū)е潞讣䶮崦浝淇s不均勻而引起的應(yīng)力。
2)相變應(yīng)力。焊接時(shí)局部金屬金相組織發(fā)生轉(zhuǎn)變,體積發(fā)生變化,而周圍的金屬阻礙其體積變化,在金屬內(nèi)部將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。
(2)按焊接殘余應(yīng)力的作用方向分
1)縱向應(yīng)力。方向平行于焊縫軸線的應(yīng)力。
2)橫向應(yīng)力。方向垂直于焊縫軸線的應(yīng)力。
(3)按焊接應(yīng)力的空間方向分
1)單向應(yīng)力。在焊件中只沿一個(gè)方向存在的應(yīng)力。
2)雙向應(yīng)力(平面應(yīng)力)。指兩個(gè)應(yīng)力存在于焊件一個(gè)平面的不同方向上。
3)三向應(yīng)力(體積應(yīng)力)。指沿空間三個(gè)方向存在的應(yīng)力。
3. 控制和減少焊接應(yīng)力的方法和措施
焊接應(yīng)力不僅會(huì)影響焊件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、尺寸加工精度以及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,而且也會(huì)影響結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性。為保證焊接結(jié)構(gòu)具有良好的使用性能,在焊接過程中,必須設(shè)法減小焊接應(yīng)力;重要結(jié)構(gòu)在焊后還必須采取措施消除焊接殘余應(yīng)力。
(1)控制焊接應(yīng)力的工藝措施
1)選擇合理的焊接順序。焊接順序?qū)附討?yīng)力的產(chǎn)生影響很大,焊接時(shí)盡可能使焊縫自由收縮,以減少焊接結(jié)構(gòu)在施焊時(shí)受到的拘束;焊縫數(shù)量較多時(shí),先焊收縮量大、焊后可能產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力的焊縫,使焊縫收縮時(shí)的拘束小;交叉焊縫先焊短焊縫,后焊直通長焊縫,保證短焊縫在焊后有自由收縮的可能,焊完第一條焊縫后需將交匯處的焊縫去除,再焊接第二條焊縫,如圖 2-3-20 所示。
2)預(yù)熱。在焊前對(duì)焊件的全部(或局部)進(jìn)行加熱的工藝措施稱為預(yù)熱。一般預(yù)熱的溫度為150~350℃,其目的是減小焊接區(qū)和結(jié)構(gòu)整體的溫度差,以使焊縫區(qū)與結(jié)構(gòu)整體盡可能地均勻冷卻,從而減小內(nèi)應(yīng)力。淬硬傾向較大的材料焊前經(jīng)常需要預(yù)熱,預(yù)熱溫度與材料、厚度、環(huán)境溫度等有關(guān)。
3)加熱"減應(yīng)區(qū)"法。在焊接時(shí)加熱那些阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位(稱"減應(yīng)區(qū)"),使之與焊接區(qū)同時(shí)膨脹和同時(shí)收縮,起到減小焊接應(yīng)力的作用,此法稱為加熱"減應(yīng)區(qū)"法。如圖2-3-22 所示,框架中心已斷裂,若直接焊接斷口處,焊縫橫向收縮受阻,在焊縫中受到相當(dāng)大的橫向應(yīng)力。若焊前在兩側(cè)構(gòu)件的"減應(yīng)區(qū)"處同時(shí)加熱,兩側(cè)受熱膨脹,使中心構(gòu)件斷口間隙增大,再對(duì)斷口處進(jìn)行焊接,焊后兩側(cè)也停止加熱,于是焊縫和兩側(cè)加熱區(qū)同時(shí)冷卻收縮,互不阻礙,結(jié)果減小了焊接應(yīng)力。
4)敲擊法。在焊后冷卻過程中,當(dāng)溫度為 100~150℃或400℃以上時(shí)用錘子或風(fēng)錘敲擊焊縫,使它產(chǎn)生塑性變形,以抵消焊縫的一部分收縮量,這樣就能起到減小焊接殘余應(yīng)力的作用。敲擊法要避免在 200~300℃之間的藍(lán)脆性階段進(jìn)行;多層焊時(shí),為了避免根部裂紋不敲擊第一層焊道,最后一層也不敲擊,以保持焊縫表面的美觀。
(2)減少焊接應(yīng)力的方法
雖然在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)以及在工藝上可采取一定的措施來防止或減小焊接應(yīng)力,但由于焊接應(yīng)力的復(fù)雜性,結(jié)構(gòu)焊接完以后仍然可能存在較大的殘余應(yīng)力,影響結(jié)構(gòu)的使用性能,因此,焊后經(jīng)常需要消除焊接殘余應(yīng)力。常用的降低殘余應(yīng)力的方法如下∶
1)熱處理法。熱處理法是利用材料在高溫下屈服強(qiáng)度下降和蠕變現(xiàn)象來達(dá)到松弛焊接殘余應(yīng)力的目的,同時(shí)熱處理還可改善焊接接頭的性能。生產(chǎn)中常用的熱處理法有高溫回火和去應(yīng)力退火兩種,可根據(jù)工件大小采用整體熱處理或局部熱處理的方式進(jìn)行。高溫回火是把工件焊后加熱到 500~650℃,保溫一段時(shí)間后,以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s的熱處理方法。去應(yīng)力退火是將工件焊后加熱至A,以下某一溫度,保溫一定時(shí)間后冷卻,使工件發(fā)生回復(fù),從而消除殘余內(nèi)應(yīng)力的熱處理方法。淬硬傾向大的焊件可以采用去應(yīng)力退火處理,以減少因冷卻速度較快導(dǎo)致淬硬組織的生成。
2)機(jī)械拉伸法。對(duì)塑性好的焊接構(gòu)件進(jìn)行加載,使焊后產(chǎn)生的壓縮殘余變形得到拉伸,可減小由焊接引起的局部壓縮塑性變形量,使內(nèi)應(yīng)力降低。如壓力容器的水壓試驗(yàn)就屬于機(jī)械拉伸,既對(duì)容器進(jìn)行了水壓試驗(yàn),又對(duì)材料進(jìn)行了一次拉伸,從而消除了部分殘余應(yīng)力。
3)溫差拉伸法。溫差拉伸法的基本原理與機(jī)械拉伸法相同,其不同點(diǎn)是機(jī)械拉伸法采用外力進(jìn)行拉伸,而溫差拉伸法是采用局部加熱形成的溫差來拉伸壓縮塑性變形區(qū)。溫差拉伸法如圖 2-3-23 所示。