焊接残余应力对构件的影响及控制措施_章正茂

焊接残余应力对构件的影响及控制措施 章正茂 安徽电力建设第一工程公司 摘要 摘要 研究了焊接残余应力对构件的影响 提出了减小和消除焊接残余应力的方法和措施 并进行总结 关键词 关键词 焊接 残余应力 影响 消除 Affection and control measures of Welding residual Stress on component Zhang zhengmao Anhui Electrical Power Construction No 1 Company Abstract Affection of the welding residual stress on component is researched methods and measures of the welding residual stress reduction and the elimination of the residual stress are put forward and the article is summarized key words Welding Residual stress Affection Elimination 1 1 序言 序言 焊接残余应力是影响焊接构件疲劳强度 弯曲强度 脆性断裂和抗腐蚀性等 性能的重要因素 同时 残余应力还会严重影响构件的机械加工质量和尺寸的稳 定性 在构件焊接过程中 人们考虑较多的是控制变形 往往对控制残余应力较 为忽视 常用一些卡具 支撑以增加刚性来控制变形 但此时实际上增大了焊后的 残余应力 对于一些本身刚性较大的构件 如板厚较大时 虽然变形会较小 但却同时产 生较大的内应力 甚至产生裂纹 因此 对于一些构件截面厚大 焊接点复杂 拘束度大 钢材强度级别高 使用条件恶劣的重要结构要注意焊接应力的控制 2 2 焊接残余应力对焊接结构的影响 焊接残余应力对焊接结构的影响 焊接残余应力在构件中并不都是有害的 应根据不同的材料 不同的结构设 计 不同承载条件和不同的运行环境进行具体分析 2 1 对结构强度的影响 只要材料具有足够的塑性 焊接残余应力的存在并不影响结构的静载强度 对于脆性材料制造的焊接结构 由于材料不能进行塑性变形 随着外力的增加 构件不可能产生应力均匀化 所以在加载过程中应力峰值不断增加 当应力峰值 达到材料的强度极限时 局部开始发生破坏 最后导致构件整体破坏 所以焊接 残余应力对脆性材料的静载强度有较大的影响 在实际结构中 工艺或设计的原因都可能造成严重的应力集中 同时存在较 高的拉伸内应力 许多低碳钢和低合金钢结构的低应力脆断事故以及大量实验研 究表明 在工作温度低于脆性临界温度条件下 拉伸内应力和严重应力集中的共 同作用将降低结构的静载强度 使之在低于屈服点的外载应力作用下发生脆性断 裂 2 2 对结构刚度的影响 当外部荷载产生的应力与结构中某区域的内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 丧失进一步承受外载的能力 造成结构 的有效面积减小 结构刚度也随之降低 2 3 对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响 焊件在机械加工中 将部分金属材料从工件上切除掉 如果该工件原来就存 在残余应力 切削加工时内应力释放 原来的内应力平衡状态即被破坏 内应力 重新分布 其结果必然是使工件加工时产生变形 加工精度受到影响 3 3 减小焊接残余应力的措施 减小焊接残余应力的措施 一般来说 可以从设计和工艺两方面着手 3 1 设计措施 1 在保证焊件强度的前提下 尽量减少焊缝的数量和尺寸 2 避免焊缝过分集中 焊缝间应保持有足够的间距 要避免焊缝交叉 以免出现三向复杂应 焊接管孔应尽量避免开在焊缝上 且避免管孔焊缝与相邻 焊缝的热影响区重合 3 焊缝不要布置在高应力区及断面突变的地方 以避免应力集中 4 采用刚性较小的接头形式对管接头 可以降低焊缝的约束度 减小焊 接应力 3 2 工艺措施 3 2 1 采用合理的焊接顺序 1 在焊接位置和焊接顺序的安排上 应先焊收缩量较大的焊缝 对大多 数结构件来讲 横向焊缝的条数较多 而且收缩量也大 所以 一般先焊横向焊 缝 2 钢板拼接时 应先焊错开的短焊缝 后焊直通长焊缝 3 为提高焊接接头强度 应先焊在工作时受力较大的焊缝 使内力合理 分布 4 在焊接平面交叉焊缝 丁字交叉或十字交叉 时 应特别注意交叉处 的焊缝质量 3 2 2 降低接头局部的拘束度 焊接封闭焊缝时 由于周围板的拘束度较大 拘束应力与残余应力叠加 会使局部区域形成高应力区 从而产生裂纹 3 2 3 预热的方法 预热法是指在焊前对焊件的全部或者局部进行预先加热的工艺措施 其目 的是减小焊接区和结构整体的温差 均匀冷却 从而减小内应力 此法常用于易 裂材料的焊接 3 2 4 局部加热造成反变形 在焊接结构的适当部位加热使之伸长 加热区的伸长带动焊接部位 使它 产生一个与焊缝收缩方向的变形 在加热区冷却收缩时 焊缝就可能比较自由地 收缩 从而降低内应力 3 2 5 锤击焊缝 焊缝区金属由于在冷却收缩时受阻 用工具锤击时 可以使焊缝产生塑性变 形 以抵消焊缝的以部分收缩量 这样就能起到减小焊接残余应力的作用 敲击 时 必须在焊缝塑性较好的热状态时进行 且锤击时保持均匀 适度 以防止因 敲击产生裂纹 4 4 消除焊接残余应力的方法 消除焊接残余应力的方法 焊接残余应力对结构使用性能的不利影响 只有在某些情况才会表现出来 一般来说对于在高温 高压 低温 腐蚀条件下工作的焊接结构以及承受动载的 焊接结构 均需要消除焊接残余应力 目前消除残余应力的方法主要有热处理和 加载法 4 1 热处理法 热处理法是利用材料在高温下屈服点下降和蠕变现象来达到松弛焊接残余 应力的目的 同时热处理还可以改善接头的性能 4 1 1 整体高温回火 整体高温回火是将整个焊接件或局部均匀加热到某一何时的温度 然后在该 温度下保温预定的时间 最后使其均匀冷却到室温的一种热处理方法 在消除焊 接残余应力的热处理中 影响热处理的效果主要因素有回火温度 保温时间 加 热和冷却速度 加热方法和加热范围大小 对于同种材料来说 回火温度越高 时间越长 应力也就消除的越彻底 内应力消除效率随时间增加而迅速降低 因此 过长的处理时间是不必要的 保温时间按照钢材的厚度每 1mm 用 1 2min 计算 但一般不宜超过 30min 不得 高于 1h 对于具有热裂纹倾向钢材的厚大结构 应注意控制加热速度和加热时 间 4 1 2 局部保温回火 局部保温回火只对焊缝及其附近的局部区域进行加热 由于这种方法带有局 部加热的性质 因此消除应力的效果不如整体处理 虽然它只能降低应力峰值而 不是完全消除 但通过局部处理可以改善焊接结构的力学性能 局部高温回火多 用于比较简单 拘束应力小的焊接接头 如长的圆筒结构 管道接头 长构件的 对接接头等 为了取得较好降低应力的效果 应保证有足够的加热宽度 4 2 机械加载法 加载法就是通过不同方式在构件上施加一定的拉伸应力 使焊缝及其附近产 生拉伸塑性变形 与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相互抵消一部 分 达到松驰应力的目的 4 2 1 机械拉伸法 在构件上施加一定拉伸应力 使其与焊缝区的拉伸残余应力相叠加 以达到 消除残余应力的目的 构件在加载后 材料发生拉伸塑性变形 正好与焊接时产 生的压缩变形相反 消除或部分消除了导致产生残余应力的塑性变形 卸载后应 力降低 在拉伸时 塑性变形越大消除的残余应力越多 因为焊接时发生的压缩 塑性变形被抵消的越多 4 2 2 温差拉伸法 温差拉伸法不同于机械拉伸法借助机械外力进行拉伸 而是利用局部加热所 产生的温度差来进行拉伸 通常做法是在焊缝两侧各用一个适当宽度的氧乙炔焰 炬加热 在焰炬后面一定距离处喷水冷却 焰炬和喷水管以相同的速度向前移动 这样可造成一个两侧高而焊缝区低的温度场 两侧金属因受热膨胀 对温度较低 的焊缝区进行拉伸 使之产生拉伸塑性变形以抵消原来的压缩塑性变形 从而消 除内应力 5 5 结论 结论 焊接残余应力降低构件的使用性能 也影响构件的加工质量和尺寸稳定性 往往使焊接产品的质量下降或使下一道工序无法顺利进行 对于一些脆性材料影 响较为明显 故对于在高温 高压 低温 腐蚀条件下工作的焊接结构以及承受 动载的焊接结构 应进行消除残余应力 在设计上尽量减少焊缝的数量和减小焊缝尺寸 避免焊缝过分集中 焊缝间 应保持有足够的间距 在工艺上采用合理的焊接顺序 降低接头局部的拘束度 适当采用预热法和局部加热的方法来减小应力 消除残余应力的方法主要有热处理和加载法 其中热处理法有整体高温回火