淺談焊接變形和應(yīng)力的產(chǎn)生及預(yù)防

1、淺談焊接變形和應(yīng)力的產(chǎn)生及預(yù)防    關(guān)鍵詞 焊接應(yīng)力;焊接變形、焊接順序、裝焊順序、反變形法、剛性固定法、預(yù)熱法、加熱“減應(yīng)區(qū)”法。0 引言 焊接技術(shù)自1882年出現(xiàn)到如今已廣泛應(yīng)用在國民經(jīng)濟的各種領(lǐng)域,對焊接技術(shù)的研究也是日新月異。其中很重要的一項就是如何防止和減少焊件的變形和焊接應(yīng)力。 1 產(chǎn)生變形和裂紋的原因 熱脹冷縮是自然規(guī)律。金屬在受熱后就要膨脹,冷卻時體積縮小,不同金屬或合金都有不同的線膨脹系數(shù)和收縮率。焊件在焊接加熱時的膨脹和焊后冷卻的收縮大小,取決于不同金屬的線膨脹系數(shù)和溫度的高低,以及不同金屬的收縮率。它是影響焊件變形的裂紋的一個因素

2、,但主要的是在焊接過程中焊件溫度分布的不均勻而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力形成變形和破裂。尤其是在焊接過程中,焊件部位形成熔池的焊縫金屬和過熱區(qū)與焊件其它部位溫度相差懸殊。在焊接加熱時,高溫金屬的膨脹,受到周圍低溫金屬的壓縮應(yīng)力的作用,而在冷卻的過程中高溫金屬收縮受到低溫金屬的牽制,又產(chǎn)生了拉應(yīng)力致使塑形金屬焊件變形,脆性金屬焊件破裂的主要原因。 2 焊接應(yīng)力與變形的關(guān)系 在焊接過程中,焊件受到電弧不均勻的加熱,受熱區(qū)域的金屬膨脹程度也不同,此時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力及變形是暫時的,而焊接完畢待焊件冷卻后,剩余的內(nèi)應(yīng)力及變形就稱為殘余應(yīng)力與變形,簡稱焊件應(yīng)力與變形。 1)焊接應(yīng)力根據(jù)空間位置和相互關(guān)系可分3種: (1)

3、單向應(yīng)力(如圖1-1)。焊接薄板的對接焊縫及在焊件表面上堆焊時,焊件存在的應(yīng)力是單方向的。 (2)雙向應(yīng)力。在焊接較厚板時,焊件存在的應(yīng)力雖不同向,但均在一個平面內(nèi),即是雙向的。 (3)三向應(yīng)力:當(dāng)焊接厚大焊件或在三個方面焊縫的交叉處,三向應(yīng)力都存在。單向應(yīng)力對焊件的強度影響較小,而焊縫中存在的雙向應(yīng)力和三向應(yīng)力對焊件的強度及沖擊值都有很大的影響。 2)焊接變形。焊接變形的種類很多,根據(jù)焊接變形對結(jié)構(gòu)的影響可分為整體變形和局部變形。整體變形包括縱向縮短、橫向縮短、彎曲變形及扭曲變形。局部變形包括角度變形、波浪變形。 在焊接結(jié)構(gòu)中,焊接應(yīng)力和變形往往是同時存在的,又是相互制約的,要求的焊接結(jié)構(gòu)既

4、不存較大的殘余變形,又不允許有大的焊接應(yīng)力的存在。 3 防止和減少焊接結(jié)構(gòu)變形 3.1 選擇合理的裝焊順序和焊接順序 裝焊順序和焊接順序?qū)附咏Y(jié)構(gòu)變形的影響以工字鋼焊接為例,如圖(4-4) 圖(4-4) 圖(4-4)是所示工字梁結(jié)構(gòu)簡圖。如果按圖(4-4d)所示邊裝邊焊的方法,由于焊T字接頭時焊縫1、2都處在X-X的下側(cè),就會造成整個結(jié)構(gòu)長度方向發(fā)生上拱,當(dāng)再裝上1塊上蓋板后,在焊接3、4縫時的整個工字梁的鋼性增大,所以變形仍由1、2焊縫引起上拱。如果按圖4-4c所示總裝后焊接的方法,由于焊縫1、2和3、4在焊接的剛性基本上相互抵消,最后工字梁將保持平直的狀態(tài)。 3.2 反變形法 對于厚度較小

5、的板件,焊接時通常采用反變形法。反變形法就是在焊前先將工件與焊接變形相反的方向進行人為的變形。如圖(5-5)以厚度812mm的鋼板V形坡口單面對接焊為例 可以看出,圖(5-5a)圖中沒有用反變形法的兩塊鋼板焊接口兩接鋼板形成角度為a的變形。而如圖b所示將其變形的變形角提前反向預(yù)留,則在焊后達到兩塊鋼板平整的效果。 此種方法對角度a的預(yù)留量要根據(jù)板厚的尺寸相應(yīng)制定。 3.3 剛性固定法 剛性固定法又稱抑制法。這種方法就是根據(jù)焊件的結(jié)構(gòu)、變形部位及方向用夾具等強制固定的方法來防止焊件的變形。這種方法對于焊接2mm以下厚度的薄板長焊縫非常有效。但注意的是 ,剛性固定法雖然能顯著減少變形,但卻阻礙焊件的自由收縮,焊后將在結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)較大的焊接應(yīng)力。所以對易淬火變得硬脆的中碳鋼及鑄鐵焊件不易采用。 4 減少焊接應(yīng)力的方法 焊接應(yīng)力往往使焊件的許用應(yīng)力降低,疲勞程度下降,故防止或減小焊接應(yīng)力在焊接工藝中極為重要。上面提到的合理選擇裝焊和焊接順序雖能減少一部分焊接應(yīng)力,但對于一些焊件我們還得采用其他的方法來盡量消除其焊接應(yīng)力。在這里我著重討論預(yù)熱法和加熱“減應(yīng)區(qū)”法。 1)預(yù)熱法。這種方法是對焊件整體進行加熱,一般加熱到150350,其目的是減少焊接區(qū)和結(jié)構(gòu)