采用二氧化碳气体保护焊接过程中残余应力的消除措施

采用二氧化碳气体保护焊接过程中残余应力的消除措施

张仲平1田维东2黎会凤11甘肃省靖远煤电股份有限公司甘肃白银7309172甘肃省靖远煤业集团有限责任公司甘肃白银730913摘要：本文介绍了二氧化碳气体保护焊接方法，着重分析了焊接应力产生的机理研究及焊接残余应力对金属焊接产生的危害，提出了大型工件采用二氧化碳气体保护法焊接过程中焊接残余应力的消除措施关键词：二氧化碳气体保护焊接法，焊接应力的机理研究及危害，消除措施前言：在近代的金属加工中，焊接工艺比铸造、锻压工艺发展较晚，但发展速度很快。焊接结构的重量约占钢材产量的45%。相比之下，焊接产品比铆接件、铸件和锻件重量轻，对于交通运输工具来说可以减轻自重，节约能量。焊接的密封性好，适于制造各类容器。发展联合加工工艺，使焊接与锻造、铸造相结合，可以制成大型、经济合理的铸焊结构和锻焊结构，经济效益很高。采用焊接工艺能有效利用材料，焊接结构可以在不同部位采用不同性能的材料，充分发挥各种材料的特长，达到经济、优质。焊接已成为现代工业中一种不可缺少，而且日益重要的加工工艺方法。1、二氧化碳气体保护焊接法介绍焊接是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的建和而形成永久性连接的工艺过程。金属的焊接，按其工艺过程的特点分有熔焊,压焊和钎焊三大类。熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。在熔焊过程中，如果大气与高温的熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素。大气中的氮、水蒸汽等进入熔池，还会在随后冷却过程中在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，恶化焊缝的质量和性能。为了提高焊接质量，人们研究出了各种保护方法，二氧化碳气体保护焊接法就是其中一种。二氧化碳气体保护焊接法是利用CO2作为保护气体熔化极电弧焊的方法。这种方法以CO2气体作为保护介质，使电弧熔池与周围空气隔绝，防止空气中的氧、氮、氢等有害气体和杂质对焊缝的氧

化和参杂，从而获得良好的焊接效果。由于二氧化碳气体的热物理性能的特殊影响，使用常规焊接电源时，焊丝端头熔化金属不可能形成平衡的轴向自由过渡，通常需要采用短路和熔滴缩颈爆断，因此飞溅较多。但如采用优质焊机，参数选择合适，可以得到很稳定的焊接过程，使飞溅降低到最小的程度。由于所用保护气体价格低廉，生产效率高，能耗低，采用短路过渡时焊缝成形良好，加上使用含脱氧剂的焊丝即可获得无内部缺陷的高质量焊接接头，因此得到了广泛的应用。2、焊接应力产生的机理研究及焊接残余应力产生的危害2.1焊接应力产生的机理研究焊接应力，是焊接构件由于焊接而产生的应力。焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的工件结构的形状和尺寸变化。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。2・2焊接残余应力产生］当焊接温度场消失后，由于工件的局部的迅速加热和冷却，焊缝和焊接热影响区域受到四周工件甚至产生严重的安全事故。-因此重要产品在焊接过程中和焊接后都需要消除焊接应力，确保构件的使与珥■.*・匚、的匡・甚至产生严重的安全事故。-因此重要产品在焊接过程中和焊接后都需要消除焊接应力，确保构件的使与珥■.*・匚、的匡・XZrrwn.在厚度不大的焊件中，焊接残余应力基本上是平面应力，厚度方向的应力很小。在自由状态下焊接的平板，沿焊缝方向的纵向残余应力在焊缝及其附近一般为拉应力，在远离焊缝处则为压应力（见图1）。对于低碳钢和强度不高的低合金结构钢（屈服强度小于 400兆帕），焊缝上的残余应力可达到材料的屈服强度。垂直于焊缝方向的横向残余应力的分布与焊接顺序和

2）。方向有关，后焊的区段一般为拉应力，但平板对接焊时焊缝两端的经常为压应力（见图2）。2.5焊接残余应力对构件的危害1、 对强度的影响：如果在高残余拉应力区中存在严重的缺陷，而焊件又在低于脆性转变温度下工作，则焊接残余应力将使静载强度降低。在循环应力作用下，如果在应力集中处存在着残余拉应力,则焊接残余拉应力将使焊件的疲劳强度降低。2、 对刚度的影响：焊接残余应力与外载引起的应力相叠加，可能使焊件局部提前屈服产生塑性变形。焊件的刚度会因此而降低。3、 对受压焊件稳定性的影响：焊接杆件受压时，焊接残余应力与外载所引起的应力相叠加，可能使杆件局部屈服或使杆件局部失稳，杆件的整体稳定性将因此而降低。残余应力对稳定性的影响取决于杆件的几何形状和内应力分布。残余应力对非封闭截面（如工字形截面）杆件的影响比封闭截面（如箱形截面）的影响大。4、 对加工精度的影响：焊接残余应力的存在对焊件的加工精度有不同程度的影响。焊件的刚度越小，加工量越大，对精度的影响也越大。5、 对尺寸稳定性的影响：焊接残余应力随时间发生一定的变化，焊件的尺寸也随之变化。焊件的尺寸稳定性又受到残余应力稳定性的影响。6、 对耐腐蚀性的影响：焊接残余应力和载荷应力一样也能导致应力腐蚀开裂。3、大型工件采用二氧化碳保护焊接过程中焊接应力的消除措施1、在焊接大型工件时，采用含有一定量脱氧剂的焊丝或采用带有脱氧剂成份的药芯焊丝，使脱氧剂在焊接过程中参与冶金反应进行脱氧，就可以消除CO2气体氧化作用的影响。加之CO2气体还能够分隔空气中氮对熔化金属的作用，更能促使焊缝金属获得良好的冶金质量。2、气孔的产生的原因主要是高温时有杂质和有害气体熔入熔池，在熔池凝固时来不及溢出而产生氢气孔，氢气孔的来源是多方面的，一是CO气体中含有水份。二是工件表面上的油、水、漆、绣2

等杂质。三是焊丝与焊道的角度不合理等。为克服氢气孔，可将CO气瓶倒立一段时间后打开阀门先2将气体中的水份去除，在焊接前将工件上的油污、漆、水、铁锈等杂质清理干净，如果风速大于2m/s时要做防风措施。四是焊接时选用合理的焊接规范和焊接角度。如焊枪喷嘴与工件保持10mm左右，焊枪与焊件垂直方向形成10°—20°角，当焊接收尾时打开焊枪上的微动开关，焊枪不要立即离开焊缝，使之在熔池凝固前仍有保护气体流出等，使气孔大大的减少。3、 预留收缩变形量：根据理论计算和实践经验，在焊件备料及加工时预先考虑收缩余量，以便焊后工件达到所要求的形状、尺寸，同时减小了焊接应力。4、 选择合理的焊接顺序：尽量使焊缝自由收缩。焊接焊缝较多的结构件时，应）先焊收缩量大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝先焊错开的短焊缝，以防在焊缝交接处产生裂纹；如果焊缝较长可以采用分中对称焊法、跳焊法，分段逐步退焊法，交替焊法等，使温度分布较均匀，减小焊接应力和变形；大型工件焊接时将增加焊接结构的刚度的部件先焊，使结构具有抵抗变形的足够刚度，再统一焊接；十字接头和丁字接头焊接时，应该正确采取焊接顺序；对称与中轴的焊缝，应由内向外进行对称焊接；焊接操作时，减少焊接时的热输入，（降低电流、加快焊接速度、）、减少熔敷金属量（焊接时采用小坡口、减少焊缝宽度、焊接角焊时减少焊脚尺寸）等合理的装配和焊接顺序均可有效地减小焊接应力，5、 加热“减应区”法：焊接前，在焊接部位附近区域（称为减应区）进行加热使之伸长，焊后冷却时，加热区与焊缝一起收缩，可有效减小焊接应力和变形。6、 焊接后消除焊接残余应力的方法。一般常用的有：锤击焊缝区法，高温回火法，温差拉伸法，振动法等方法来消除焊接残余应力4、结语：二氧化碳气体保护焊接法因保护效果好、生产成本低、效率高、节省能源、适用范围广、焊接质量好、在采取合适的焊接工艺下使用含脱氧剂的焊丝即可获得无内部缺陷的高质量焊接接头、便于开展机械化和自动化生产等诸多优点，目前已成为黑色金属材料最重要焊接方法之一，在矿山机械大型工件的焊接方面得到了广泛的应用。

采用二氧化碳气体保护焊接过程中残余应力的消除措施

张仲平1田维东1黎会凤21甘肃省靖远煤业集团有限责任公司甘肃白银7309132甘肃省靖远煤电股份有限公司 甘肃白银730917摘要：本文介绍了二氧化碳气体保护焊接方法，着重分析了焊接残余应力产生的机理及其对金属焊接产生的危害，提出了大型工件采用二氧化碳气体保护法焊接过程中焊接残余应力的消除措施关键词：二氧化碳气体保护焊接法，焊接残余应力的产生机理及危害，焊接残余应力的消除措施1、二氧化碳气体保护焊接法介绍焊接是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的建和而形成永久性连接的工艺过程。熔焊是金属焊接最常见的一种，是将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。在熔焊过程中，如果大气与熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素。大气中的氮、水蒸汽等进入熔池，还会在冷却过程中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，恶化焊缝的质量和性能。为了提高焊接质量，人们研究出了各种保护方法，二氧化碳气体保护焊接法就是其中一种。二氧化碳气体保护焊接法是利用CO2气体作为保护介质，使电弧熔池与周围空气隔绝，防止空气中的氧、氮、氢等有害气体和杂质对焊缝的氧化和参杂，从而获得良好的焊接效果。由于CO气体的热物理性能的影响，使用常规焊接电源时，焊丝端头熔化金属不能形成平衡的轴向自由过渡，因此飞溅较多，造成焊接接头不美观。并且如果没能采用合适的设备和工艺，造成气孔和夹杂较多，加大了焊接应力的产生，严重时甚至会降低产品质量，造成安全事故隐患。2、焊接残余应力产生的机理及其产生的危害2.1焊接残余应力的产生机理

当焊接温度场消失后，由于工件的局部的迅速加热和冷却，焊缝和焊接热影响区域受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中便产生焊残余接应力和变形。也就是说在焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接残余应力和变形的根本原因。另外还有因为采用的焊接方法、焊接材料等致使产生焊接气泡、裂纹等也加大了焊接残余应力的产生。2.2焊接残余应力的分布：在厚度不大的焊件中，焊接残余应力基本上是平面应力，厚度方向的应力很小。在自由状态下焊接的平板，沿焊缝方向的纵向残余应力在焊缝及其附近一般为拉应力，在远离焊缝处则为压应力。对于低碳钢和强度不高的低合金结构钢，残余应力可达到材料的屈服强度。垂直于焊缝方向的横向残余应力的分布与焊接顺序和方向有关，后焊的区段一般为拉应力，但平板对接焊时焊缝两端的经常为压应力。厚板焊缝厚度方向的残余应力与焊接方法有关。多层焊缝则较低，在厚度上的分布是中心部位最高，逐渐向表面过渡到零。电渣焊缝中心部位残余应力的数值大于表层。多层焊缝则与此相反，表层应力大于中心部位。在约束状态下进行焊接（如封闭焊缝）时，则可能出现较高的拉应力，因而产生更为具有产生安全事故隐患的内应力。2.3焊接残余应力对构件的危害1、 对强度的影响：如果在高残余拉应力区中存在严重的缺陷，而焊件又在低于脆性转变温度下工作，则焊接残余应力将使静载强度降低，使焊件的疲劳强度降低。2、 对刚度的影响：焊接残余应力与外载引起的应力相叠加，可能使焊件局部产生塑性变形。焊件的刚度会因此而降低。3、 对受压焊件稳定性的影响：焊接杆件受压时，焊接残余应力与外载所引起的应力相叠加，可能使杆件局部屈服或使杆件局部失稳，杆件的整体稳定性将因此而降低。4、 对加工精度的影响：焊接残余应力的存在对焊件的加工精度有不同程度的影响。焊件的刚度越小，加工量越大，对精度的影响也越大。5、 对尺寸稳定性的影响：焊接残余应力随时间发生一定的变化，焊件的尺寸也随之变化。焊件的尺寸稳定性又受到残余应力稳定性的影响。6、 对耐腐蚀性的影响：焊接残余应力和载荷应力一样也能导致应力腐蚀开裂。3、大型工件采用二氧化碳保护焊接过程中焊接应力的消除措施

1、在焊接大型工件时，首先必须采用优质焊机，合理的焊接工艺参数，可以得到很稳定的焊接过程，使飞溅降低到最小的程度。另外采用含有一定量脱氧剂的焊丝或采用带有脱氧剂成份的药芯焊丝，消除CO2气体氧化作用的影响。加之CO2气体还能够分隔空气中氮对熔化金属的作用，更能促使焊缝金属获得良好的冶金质量。2、 气孔的产生的原因主要是高温时有杂质和有害气体熔入熔池，在熔池凝固时来不及溢出而产生氢气孔，氢气孔的来源主要有CO2气体中含有水份、工件表面上的杂质、焊丝与焊道的角度不合理等。为克服氢气孔，可将气瓶倒立一段时间后打开阀门先将气体中的水份去除；在焊接前将工件上的杂质清理干净；如果风速大于2m/s时要做防风措施；焊接时选用合理的焊接规范和焊接角度。如焊枪喷嘴与工件保持10mm左右,焊枪与焊件垂直方向形成10°-20°角，当焊接收尾时焊枪不要立即离开焊缝，熔池凝固前仍有保护气体流出等，减少气孔的产生。3、 预留收缩变形量：根据理论计算和实践经验，在焊件备料及加工时预先考虑收缩余量，以便焊后工件达到所要求的形状、尺寸，同时减小了焊接应力。4、 选择合理的焊接顺序：尽量使焊缝自由收缩。焊接焊缝较多的结构件时，应先焊收缩量大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝先焊错开的短焊缝，以防在焊缝交接处产生裂纹；如果焊缝较长可以采用分中对称焊法、跳焊法，分段逐步退焊法，交替焊法等，使温度分布较均匀；大