摘 要:通過對焊件在焊接中產(chǎn)生應(yīng)力的分析,提出科學(xué)合理地控制及消除焊接應(yīng)力的方法。
3 L* L# [2 k: c0 N關(guān)鍵詞:焊縫; 焊接應(yīng)力; 溫度0 z2 x) H) z c% f
0 前 言
+ E! V0 w8 S2 B( [2 @; ^在對礦山設(shè)備的機(jī)修件進(jìn)行焊接中,為防止和減少焊件變形,必須控制焊修區(qū)域的收縮,但是對收縮變形的控制將會(huì)促進(jìn)內(nèi)應(yīng)力的顯著增加。焊件自身在焊接過程中,由于受到不均勻的加熱和冷卻,在結(jié)構(gòu)中必然會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力,這些焊接應(yīng)力會(huì)殘留在焊后已經(jīng)冷卻的結(jié)構(gòu)中。焊接應(yīng)力是引起焊接接頭中產(chǎn)生各種焊接裂紋的重要因素。焊后殘留在結(jié)構(gòu)中的焊接應(yīng)力將會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的使用壽命;因此,控制和消除焊接應(yīng)力值,有利于提高整個(gè)構(gòu)件的焊* N5 V% i6 g& a7 L% B3 H$ Y' k$ Q+ D
接質(zhì)量。
, u1 V/ f% a9 I/ e1 控制焊接應(yīng)力的方法
V% {; f, A6 p1.1 從設(shè)計(jì)上考慮控制焊接應(yīng)力的方法控制焊接殘余應(yīng)力可以從焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上考慮,在保證結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度條件下,盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸。) T( y% u' v7 j& O' i! H
1.2 合理的焊接順序法
9 y }5 q2 W/ k# p( ]在焊接過程中盡量使所焊焊縫能自由收縮。先焊收縮量較大的焊縫,使其能在結(jié)構(gòu)整體剛性較小的情況下自由收縮;先焊錯(cuò)開的短焊縫,后焊直通長焊縫;當(dāng)結(jié)構(gòu)上的多余焊縫受力不均時(shí),應(yīng)先焊在工作時(shí)受力較大的焊縫,使焊接應(yīng)力能合理地分布;焊接帶有交叉焊縫的接頭,焊接時(shí)必須采用保證交叉點(diǎn)部位不易產(chǎn)生缺陷的焊接順序。如:井下用起吊間在構(gòu)件上分布著對接焊縫和角焊縫兩種焊縫形式,由于對接焊縫的收縮量大于角焊縫的收縮量,所以應(yīng)先焊對接焊縫。+ @: W% f% w& [& @. v, d H' ? u! ^% u9 n
1.3 降低局部剛性法7 d' c: B* G1 H, y8 p$ }2 x
結(jié)構(gòu)剛性增加時(shí),焊接應(yīng)力隨之加大,降低局部剛性有利于減少應(yīng)力。焊接封閉焊縫或剛性較大的焊縫,焊接時(shí)可以采取反變形法降低結(jié)構(gòu)的局部剛性,也可根據(jù)情況在焊縫附近開緩和槽,降低焊接部位的局部剛性,盡量使焊縫有自由收縮的可能,以便能有效地減少焊接應(yīng)力。
7 D' i3 T# B: k1 q1.4 預(yù)熱和緩冷方法. F( @/ o7 T) H! A) E. l
焊件本體上溫差越大,焊接應(yīng)力也越大。焊前對焊件進(jìn)行預(yù)熱能減小溫差和減慢冷卻速度,兩者均能減少焊接應(yīng)力。在焊修前將工件放在爐內(nèi)加熱到一定溫度(100～600℃) ,并在焊接過程中防止加熱后的工件急劇冷卻,這樣降低焊修部分溫度與基體金屬溫度的差值,使膨脹數(shù)值接近,從而減少內(nèi)應(yīng)力。若焊件整體預(yù)熱有困難,可采用局部預(yù)熱,即在焊縫及其兩側(cè)不少于80 mm 處進(jìn)行加熱,因?yàn)榧訜崽瓡?huì)造成新的溫差應(yīng)力。預(yù)熱時(shí)溫升不要太快,要均勻,并要求整條焊縫各部位溫度應(yīng)基本一致。緩冷時(shí)將焊接后的工件加熱到600 ℃,放在退火爐內(nèi),讓它慢慢地冷卻下來。- S g% P( f; X* I7 W/ R
1.5 錘擊法3 V, ?6 c* M6 V* i2 W9 o. S. R
當(dāng)焊修較長的裂縫和堆焊層,焊縫金屬冷卻時(shí),由于焊縫收縮時(shí)受阻力而產(chǎn)生拉應(yīng)力,趁著焊縫和堆層在赤熱的狀態(tài)下,用錘輕敲焊縫區(qū)能使金屬展開,焊縫擴(kuò)展可減少焊縫的收縮,焊接應(yīng)力可減少1/ 2～1/ 4。錘打時(shí),焊修金屬溫度在800 ℃時(shí)效果最好。若溫度降低,敲打力量也要隨之減少。進(jìn)行錘擊時(shí),溫度應(yīng)在300 ℃以下或400 ℃以上,避免在300～400 ℃之間進(jìn)行,因?yàn)榇藭r(shí)金屬材料正處于藍(lán)脆階段,
# U+ f6 i0 K/ ~9 A錘擊焊縫容易造成斷裂。多層焊時(shí),第一層和最后一層焊縫不用錘擊,其余每層都要錘擊。第一層不錘擊是為了避免產(chǎn)生根部裂紋,最后一層焊縫要焊接得較薄,以便消除由于錘擊而引起的冷作硬化。- Y2 L2 j" [* O$ c+ J/ |1 \
2 消除焊接殘余應(yīng)力的措施2 |# z+ W4 z4 ~5 c/ _+ C* R
2.1 焊件整體高溫回火! W9 ^0 K( K1 P# R4 @
將整個(gè)焊件放在加熱爐內(nèi)加熱到一定的溫度,然后保溫一段時(shí)間再冷卻,同種材料回火溫度越高,時(shí)間越少,焊接應(yīng)力消除越徹底。這種方法可將焊件內(nèi)80 %～90 %的焊接殘余應(yīng)力消除掉。保溫時(shí)間通常按每毫米1～2 min ,一般不低于30 min ,不高于3 h。+ j% E% ^- |- A: ~& N
2.2 局部高溫回火
. ?9 G- E+ c" j Q; V% f% {只對焊縫及附近區(qū)域進(jìn)行加熱以消除焊接殘余應(yīng)力。此方法通常用于焊接管道接頭及長構(gòu)件的對接接頭等。
, |- _1 r7 x' I# J6 K2.3 機(jī)械拉伸法
( J0 B9 @) g: j+ x2 I/ O/ S對焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載,使焊接壓縮塑性變形區(qū)得以拉伸,可減少由焊接引起的局部壓縮塑性變形量,使焊接應(yīng)力得以降低。
E$ a! _& v. u. f) ?- B0 Q2.4 溫差拉伸法
4 ]& i/ D; v+ W( u K6 a5 ^! Y用焊修件局部加熱的溫差來拉伸焊縫區(qū),兩側(cè)溫度高,焊接區(qū)溫度低,兩側(cè)受熱膨脹金屬對溫度較低的區(qū)域進(jìn)行拉伸,可消除部分應(yīng)力。$ Q4 \0 k- V# u9 `: m! X3 B
3 結(jié)束語
, R9 | h9 Q: K4 z- P1 L ?礦山機(jī)械零件種類較多,所受載荷和工件條件各不相同,對各類零件機(jī)械性能要求也不同。在焊修前,
* s* z8 g. s- d" G2 Q. q必須對該零件的材料、工作條件、機(jī)械性能、熱處理等方面有明確的了解,正確安排焊接工藝,采取有利措施,以獲得最好焊接效果,達(dá)到整個(gè)焊件的焊接質(zhì)量要求。減少焊接應(yīng)力和焊接變形的方法4 ^( n% [1 O% X4 o
（1）采用適當(dāng)?shù)暮附映绦颍绶侄魏?、分層焊?br />
# a% [+ Z, I$ V" |% N" [* e（2）盡可能采用對稱焊縫，使其變形相反而抵消；
: \8 U4 {1 j, V（3）施焊前使結(jié)構(gòu)有一個(gè)和焊接變形相反的預(yù)變形；: n6 q6 D9 Z. N- c& i8 `3 ~
（4）對于小構(gòu)件焊前預(yù)熱、焊后回火，然后慢慢冷卻，以消除焊接應(yīng)力。
8 s& V+ L7 \% A4 U& a2 z合理的焊縫設(shè)計(jì)) v3 K$ p! A" |+ W
（1）避免焊縫集中、三向交叉焊縫；! C2 W$ V& c) [' b' D) Z7 R2 D
（2）焊縫尺寸不宜太大；
$ L, O; y9 z& ~7 M8 N（3）焊縫盡可能對稱布置，連接過渡平滑，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象；
* K) z( @; D U$ t1 k t" x（4）避免仰焊。6 e7 g: ] X9 G7 ~2 x
焊接變形的產(chǎn)生和防止4 z- f( j7 k5 ^0 ]/ K T: P
手工電弧焊接過程中的變形成因及對策9 M5 s2 Q. U. c( v( |
在工業(yè)生產(chǎn)中，焊接作業(yè)特別是手工電弧焊作業(yè)作為制造、修理的一種重要的工藝方法得到越來越廣泛的運(yùn)用。同時(shí)，由于手工電弧焊自身的焊接特點(diǎn)必然引起其焊接變形較大，如不對其變形的原因進(jìn)行分析并針對其成因提出有效的對策，必將給生產(chǎn)帶來極大的危害。; W! N2 f* w& Y( t% l
一、 手工電弧焊接過程中的變形成因
2 P% d% ?9 h0 h5 w0 x- z. x我們知道，手工電弧焊接過程中的焊接電弧由在兩個(gè)電極之間的氣體介質(zhì)中產(chǎn)生持久的放電現(xiàn)象所產(chǎn)生的。電弧的產(chǎn)生是先將兩電極相互接觸而形成短路，由于接觸電阻和短路電流產(chǎn)生電流熱效應(yīng)的
+ X7 X* u2 b. @5 e. R結(jié)果，使兩電極間的接觸點(diǎn)達(dá)到白熱狀態(tài)，然后將兩電極拉開，兩電極間的空氣間隙強(qiáng)烈地受熱，空氣熱作用后形成電離化；與此同時(shí)，陰極上有高速度的電子飛出，撞擊空氣中的分子和原子，將其中的電子撞擊出來，產(chǎn)生了離子和自由電子。在電場的作用下，陽離子向陰極碰撞；陰離子和自由電向陽極碰撞。這樣碰撞的結(jié)果，在兩電極間產(chǎn)生了高熱，并且放射強(qiáng)光。電弧是由陰極區(qū)（位于陰極）、弧柱（其長度差不多等于電弧長度）和陽極區(qū)（位于陽極）三部分所組成。陰極區(qū)和陽極區(qū)的溫度，主要取決于電極的材料。一般地，隨電極材料而異，陰極區(qū)的溫度大約為2400K—3500K，而陽極區(qū)大約為2600K—4200K，中間弧柱部分的溫度最高，約為5000K—8000K。焊接接頭包括焊縫和熱影響區(qū)兩部分金屬。焊縫金屬是由熔池中的液態(tài)金屬迅速冷卻、凝固結(jié)晶而成，其中心點(diǎn)溫度可達(dá)2500℃以上?？拷缚p的基本金屬在電弧的高溫作用下，內(nèi)部組織發(fā)生變化，這一區(qū)域稱為熱影響區(qū)。焊縫處的溫度很高，而稍稍向外則溫度迅速下降，熱影響區(qū)主要由不完全熔化區(qū)、過熱區(qū)、正火區(qū)、不完全正火區(qū)、再結(jié)晶區(qū)和藍(lán)脆區(qū)等段組成，熱影響區(qū)的寬度在8—30 mm范圍內(nèi)，其溫度從底到高大約在500 ℃--1500℃之間。金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部由于焊接時(shí)不均勻的加熱和冷卻產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力叫焊接應(yīng)力。由于焊接應(yīng)力造成的變形叫焊接變形。! I! S/ C9 M% N) e
在焊接過程中，不均勻的加熱，使得焊縫及其附近的溫度很高，而遠(yuǎn)處大部分金屬不受熱，其溫度還是室內(nèi)溫度。這樣，不受熱的冷金屬部分便阻礙了焊縫及近縫區(qū)金屬的膨脹和收縮；因而，冷卻后，焊縫就產(chǎn)生了不同程度的收縮和內(nèi)應(yīng)力（縱向和橫向），就造成了焊接結(jié)構(gòu)的各種變形。金屬內(nèi)部發(fā)生晶粒組織的轉(zhuǎn)變所引起的體積變化也可能引起焊件的變形。這是" E7 C( R( G$ ]% W
產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的根本原因。
n; ]$ p& @5 Y K二、 焊件的殘余變形和應(yīng)力的危害性% i" e! P$ z7 ~/ ~
在焊接過程中焊件將發(fā)生變形，隨著變形的產(chǎn)生，焊件內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)也發(fā)生了變化，而焊完并冷卻后所留下的變形和應(yīng)力不是暫時(shí)的而是殘余的。通常焊件的殘余變形和應(yīng)力是同時(shí)存在的，但在一般焊接結(jié)構(gòu)中殘余變形的危害性比殘余應(yīng)力大得多，它使焊件或部件的尺寸改變而無法組裝，使整個(gè)構(gòu)件喪失穩(wěn)定而不能承受載荷，使產(chǎn)品質(zhì)量大大下降，而校正卻要消耗大量的精力和物力，有時(shí)導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。同時(shí)焊接裂縫的產(chǎn)生往往也和焊接殘余變形和應(yīng)力有著密切的關(guān)系。有的金屬由于焊后產(chǎn)生了殘余應(yīng)力而使的使用性能大為下降，從而對這類金屬的焊接件生產(chǎn)造成工藝上的大量困難。因此，在制造焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，必須充分了解焊接時(shí)內(nèi)應(yīng)力發(fā)生的機(jī)理和焊后決定工件變形的基本規(guī)律，以控制和減少它的危害性。
7 e# l4 S4 G$ T+ U+ ~& |9 g5 D三、 影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素及變形的種類
: p8 C. M9 y/ z3 \2 [" x( |* Y（一）、影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素有：
9 B+ E# |" ~$ a8 Y7 ]1.
# Q) e6 x3 `5 I8 b: y- J0 h# @6 P焊縫在結(jié)構(gòu)中的位置；4 K% R: r. q4 J+ `; p7 V- H
2.0 t( m1 S9 s, @5 O4 i
結(jié)構(gòu)剛性的大??；
4 C7 _( _$ \8 {0 t3.; k; Y9 |( B; Z* L
裝配和焊接順序；
1 k$ N$ D, q1 Q& B- d$ c4.
% R H: R3 N; _4 {4 b; v2 A O! c焊接規(guī)范的選擇。
8 m: x) n" H. E1 @, k% v$ P& i（二）、焊接變形的種類有：; r J% D: V& O4 x2 w
1.- D q, ?. ` h( m% Q. z
縱向收縮和橫向收縮；4 L4 \& @' P, \* Q+ E' K2 J
在焊縫長度方向上的收縮稱縱向收縮，而在垂直于焊縫縱向的收縮稱橫向收縮。由于這種收
' m' y5 y9 E; w& w8 o縮，便使焊件發(fā)生了變形。
( f& M1 D2 i( ^: l% x2.
* ]' w$ x# v0 d角變形；
+ C" q3 p0 d% \6 w( D4 b# U% H: [* N3." [4 t- a4 `+ T# {
彎曲變形；7 `, {$ K, V0 s( n; I) g# W
4.# s6 l- E& ^# v l* L+ P+ r6 `
波浪變形；% A. b1 V1 M3 F' _6 n% D$ Z
5.. q& F2 _$ \; U2 ~ S# A
扭曲變形。; P! h' V; S5 a0 t* o# a, F. X
（三）、從焊接工藝上分析，影響焊縫收縮量的因7 E8 @5 ~ g ]0 m5 E
素有：; s5 X7 E# Q# C4 c6 H1 d' ^5 M
用手工電弧焊焊接長焊縫時(shí)，一般采用焊前沿焊縫進(jìn)行點(diǎn)固焊。這不僅有利于減小焊接變形，
, F1 f( }9 b8 Z7 a% A也有利于減小焊接內(nèi)應(yīng)力。" }0 v( H' i" V1 `, u+ u% o! h
備料情況和裝配質(zhì)量對焊接變形也會(huì)產(chǎn)生影響。! N5 |; E% p$ `5 E6 y; J; v4 Q5 ~
焊接工藝中影響焊縫收縮量的因素有：& t9 E) S/ _4 ~) ~& h! L; m! h* M
1.9 K4 d( j7 J& {
線膨脹系數(shù)大的金屬材料，其變形比線膨脹系數(shù)小的金屬材料大；$ |0 \# Z6 g1 T. T5 f; H
2.
, b9 ]8 n' w. X, _" a焊縫的縱向收縮量隨著焊縫長度的增加而增加；
: ~3 e1 K$ ^- d/ @: M3.( d' a) f% ?0 r4 ]8 L
角焊縫的橫向收縮比對接焊縫的橫向收縮??；3 E3 e% G& W$ }5 s% ~4 Z3 r
4.
# {5 i) v# c5 y R間斷焊縫比連續(xù)焊縫的收縮量小；
1 U* u% |8 {% J( d8 L$ ^5.
. ]5 j( a% i$ ?% L0 w' V' Q* Z* R6 \多層焊時(shí)，第一層引起的收縮量最大，以后各層逐漸減小；( L. ?% j7 h2 }! t6 C4 J% I, x% P
6. 在夾具固定條件下的焊接收縮量比沒有夾具固定的焊接
" W1 s q! e' }: F收縮量小，約減少40%--70%；
7 _6 l2 n& i& h3 u. u z7.
" ^" T6 o4 [, h% `$ y: S3 z c焊腳等于平板厚度的丁字接頭，角變形量較大。) a* g9 w- d7 m0 x; t5 d5 R6 w
四、防止焊接變形的方法
" |8 k) R5 X$ I4 ^. u9 Y通過以上的分析，我們基本了解焊接變形的原因及變形的種類，針對焊接變形的原因和種類從焊接工藝上進(jìn)行改進(jìn)，可以有效防止和減少焊接變形所帶來的危害。下面，我們主要介紹幾種常見的防止焊接變形的方法。1 o" J# p7 ~, o' p
1. 反變形法2 I6 [* i" c2 K) a9 Q0 l
在焊前進(jìn)行裝配時(shí)，預(yù)置反方向的變形量為抵消（補(bǔ)償）焊接變形，這種方法叫做反變形法。圖1 所示為8—12mm 厚的鋼板V形坡口單面對接焊時(shí)，采用反變形法以后，基本消除了角變形。* ~1 e8 G2 _$ D" `, W7 D9 h) b4 w
2.- p5 x1 t G4 n3 F- w) n$ m
利用裝配和焊接順序來控制變形；
0 t! _9 A" A$ G y6 a采用合理的裝配和焊接程序來減少變形，這在生產(chǎn)實(shí)踐中是行之有效的好辦法，如圖2（a）所示為一箱形梁，由于焊縫不對稱，焊后產(chǎn)生下?lián)蠌澢冃巍＝鉀Q辦法是由兩人或四人，對稱地先焊只有兩條焊縫的一側(cè)，如圖2（b）中焊縫1 和1 然后就造成了如圖2 (c)的上拱變形。由于這兩條焊縫焊后增加了箱形梁的剛性。當(dāng)焊接另一側(cè)的兩條焊縫時(shí)，如先焊圖2(d)中焊縫2 和2，最后再焊圖2(e)中焊縫3 和3，就基本上防止了變形。有許多結(jié)構(gòu)截面形狀對稱，焊縫布置也對稱，但焊后卻發(fā)生彎曲或扭曲的變形，這主要是裝配和焊接順序不合理引起的，也就是各條焊縫引起的變形，未能相互抵消，于是發(fā)生變形。焊接順序是影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素之一，安排焊接順序時(shí)應(yīng)注意下列原則：- I/ g* q; t+ M8 l4 R3 \
1）盡量采用對稱焊接。對于具有對稱焊縫的工作，最好由成對的焊工對稱進(jìn)行焊接。這樣可以使由各焊縫所引起的變形相互抵消一部分。
2 D' E; d; G& z6 Q' ~' M2）對某些焊縫布置不對稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)先焊焊縫少的一側(cè)。. c5 t( G3 ~( G1 V5 Q
3）依據(jù)不同焊接順序的特點(diǎn)，以焊接程序控制焊接變形量。常見的焊接順序有五種，即：7 F7 F8 \9 ]: d j) n
a.分段退焊法
5 d& P) e1 W3 d# W) _ J這種方法適用于各種空間的位置的焊接，除立焊外，鋼材較厚、焊縫較長時(shí)都可以設(shè)擋弧板，多人同時(shí)焊接。其優(yōu)點(diǎn)是可以減小熱影響區(qū)，避免變形。每段長應(yīng)為0.5—1m。見圖2(f)
- {3 [1 _0 M* B& N, N+ Vb.分中分段退焊法+ z; G& x8 C" N$ K& \6 r6 t8 p, l
這種方法適用于中板或較薄的鋼板的焊接，它的優(yōu)點(diǎn)是中間散熱快，縮小焊縫兩端的溫度差。焊縫熱影響區(qū)的溫度不至于急劇增高，減少或避免熱膨脹變形。這種方法特別適用于平焊和仰焊，橫焊一般不采用，立焊根本不能用。見圖2(g)6 P# N9 W$ n( o& D$ m0 e2 A* a0 a
c.跳焊法( \: V6 M2 F& B- w* Z3 F5 B0 d
這種方法除立焊外，平焊、橫焊、仰焊三種方法都適用，多用在6—12mm 厚鋼板的長焊縫和鑄鐵、不銹鋼、銅的焊接上，可以分散焊縫熱量，避免或減小變形。鋼材每段焊縫長度在200—400mm之間；鑄鐵焊件按鑄鐵焊接規(guī)范處理；不銹鋼和銅由于導(dǎo)熱快，每段長不宜超過200mm (薄板應(yīng)短些)。見圖 2(h)
5 ]5 `$ _1 r. jd.交替焊法# l& h9 M( V: e) M; B" W' |1 H+ {1 i) ^) L
這種焊法和跳焊法基本相同，只是每段焊接距離拉長，特別適用于薄板和長焊縫。見圖2(i)
( t$ H) K# G$ g% D& C& Q: ie.分中對稱法! I+ V, |" i- E3 _
這種方法適用于焊縫較短的焊件，為了減小變形，由中心分兩端一次焊完。見圖2(j)5 E+ |8 s5 V# U
3.剛性固定法
! {4 V% w% _- t剛性固定法減小變形很有效，且焊接時(shí)不必過分考慮焊接順序。缺點(diǎn)是有些大件不易固定，且焊后撤除固定后，焊件還有少許變形和較大的殘余應(yīng)力。這種方法適用于焊接厚度小于6
+ C2 Q% o4 Z! w2 j9 T! |mm 及韌性較好的薄壁材料。如果與反變形法配合使用則效果更好。
, W: f' N- K# d9 S3 Z 對于形狀復(fù)雜，尺寸不大，又是成批生產(chǎn)的焊件，可設(shè)計(jì)一個(gè)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的專用焊接胎具，既可以防止變形，又能提高生產(chǎn)率。當(dāng)工件較大，數(shù)量又不多時(shí)，可在容易發(fā)生變形的部位臨時(shí)焊上一些支撐或拉桿，增加工件的剛性，也能有效的減少焊接變形。 |
發(fā)表于 2008-12-1 18:18:13
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