焊接基础知识

焊接基础知识

1.焊接应力的分类

焊接应力的分为热应力、相变应力、拘束应力等。拘束应力、焊接瞬焊接应力、热应力、残余应力为常见内应力。

2.焊接残余应力的分布与影响

当构件受局部载荷或经受不均匀加热时，构件会在局部区域产生塑性应变,当局部外载撤去或热源离去,构件温度恢复到原始的均匀状态时,由于在构件内部发生了不能恢复的塑形变形，因而产生了相应的内应力,称为残余应力。构件中残余下来的变形,称为残余变形。

(1)焊接残余应力的分布一般厚度不大的焊接结构,残余应力是双向的,即纵向应力αx和横向应力σy,残余应力在焊件上的分布是不均匀的,分布状况与焊件的尺寸,结构和焊接工艺有关.

厚板焊接接头,除纵向应力ax和横向应力ay外,还存在较大的厚度方向上的应力αz.,三个方向的内应力分布也是不均匀的。

(2)残余应力的影响

①对静载强度的影响:当材质的塑性和韧性较差处于脆性状态,则拉伸应力与外载叠加可

能使局部应力首先达到断裂强度,导致结构早期破坏。

②对结构刚度的影响:当外载产生的应力σ与结构中某局部的内应力之和达到屈服点时,

就使这一区域丧失了进一步承受外载的能力,造成结构的有效截面积减小,结构刚度也随之降低,使结构的稳定性受到破坏。

③如果在应力集中处存在拉伸内应力,就会使构件的疲劳强度降低。

④构件中存在的残余应力,在机械加工和使用过程中,由于内应力发生了变化,而可能引起结构的几何延续而发生变化,将使结构尺寸失去稳定性。

⑤在腐蚀介质中工作的结构,在拉伸应力区会加速腐蚀而引起应力腐蚀的低应力脆断。在

高温工作的焊接结构(如高温容器)的残余应力还会起加速蠕变的作用。

3.控制焊接残余应力的措施

（1）设计措施

①尽量减少焊缝的数量和尺寸,采用填充金属少的坡口形式。②焊缝布置应避免过分集中,焊缝间应保持足够的距离,尽量避免三轴交叉的焊缝，并且不把焊缝布置在工作应力最严重的区域。

③采用刚性较小的接头形式,使焊缝能够自由地收缩。

④在残余应力为拉应力的区域内,应尽量避免几何不连续性,以免内应力在该处进一步增高。

（2）工艺措施

①采用合理的焊接顺序和方向。合理的焊接顺序能使每条焊缝尽可能地自由收缩。应注意以下几点：

a.在具有对接及角焊缝的结构中,应先焊收缩量较大的焊缝1,使焊缝能较自由地收缩,后焊焊缝2。

b.拼板焊时,先焊错开的短焊缝1,2,后焊直通长焊缝3,使焊缝有较大的横向收缩余地。

c.工字梁拼接时,先焊在工作时受力较大的焊缝,使内应力合理分布。在接头两端留出一段翼缘角不焊,先焊受力最大的翼缘对接焊缝1,然后再焊腹板对接焊缝2,最后焊翼缘顶留的角焊缝3。这样,焊后可使翼缘的对接焊缝承受压应力,而腹板对接焊缝承受拉应力,焊缝最后焊可保证腹板有一定收缩余地,这样焊成的梁疲劳强度高。d.焊接平面上的焊缝时,应使焊缝的收缩比较自由,尤其是横向收缩更应保证自由。对接焊缝的焊接方向,应当指向自由端。

②预热法。预热法是在施焊前,预先将焊件局部或整体加热至150～650℃。对于焊接或焊补那些淬硬倾向较大的材料的焊件,以及刚性较大或脆性材料焊件时,为防止焊接裂纹,常采用预热法。

③冷焊法。冷焊法是通过减少焊件受热来减少焊接部位与结构上其他部位间的温度差。具体做法：尽量采用小的热输人方法施焊,选用小直径焊条、小电流,快速焊及多层多道焊。另外,应用冷焊法时,环境温度应尽可能高,以防止裂纹的产生。

④留裕度法。焊前,留出焊件的收缩裕度,增加收缩的自由度,以此来减少焊接残余应力。如图1-68所示的封闭焊缝,为减少其切向应力峰值和径向应力,焊接前可将外板进行扳边(如图1-68a)或将镶块做成内凹形(如图1-68b),使之储存一定的收缩裕度,可使焊缝冷却时较自由地收缩,达到减少残余应力的目的。

⑤开减应力槽法。对于厚度大、刚度大的焊件,在不影响结构强度的前提下,可以在焊缝附近开几个减应力槽,以此降低焊件局部刚度,达到减少焊接残余应力的目的。回

⑥锤击焊缝。焊后可用头部带有小圆弧的工具锤击焊缝,使焊缝得到延展,从而降低内应力。锤击应保持均匀适度,避免锤击过分,防止产生裂缝。一般不锤击第一层和表面层。

⑦加热“减应区”法。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件,使它产生一个与焊缝收缩方向相反的变形,在冷却时,加热区的收缩与焊缝的收缩方向相同。焊缝就可能比较自由地收缩,从而减少内应力。

4.消除焊接残余应力的方法

（1）整体高温回火。

注：*含钒低合金钢在600～620℃回火后,塑性、韧性下降,回火温度宜选550～600℃。

高温保温时间按材料的厚度确定。钢按每1～2min/mm计算,一般不少于30min,不高于3h。为使板方向上的温度均匀地升高到要求温度,当板材表面达到要求温度后,还需要一定的均温时间。

（2）局部高温回火。将焊缝及其附近应力较大的局部区域加热到高温回火温度,然后保温及缓慢冷却。多用于结构简单,拘束度较小的接头,如管道接头、长的圆简容器接头以及长构件的对接接头等。局部高温回火可以采用电阻,红外线、火焰和工频感应加热等。

（3）机械拉伸法焊后对焊接构件加载,使具有较高拉伸残余应力的区域产生拉伸塑性变形,卸载后可使焊接残余应力降低。加载应力越高,焊接过程中形成的压缩塑性变形就被抵消得越多,内应力也就消除得越彻底。

机械拉伸消除内应力对一些焊接容器特别有意义。它可以通过在室温下进行过载的耐压试验来消除部分焊接残余应力。

（4）温差拉伸法在焊缝两侧各用一个适当宽度的氧-乙炔焰炬加热,在焰炬后一定距离外喷水冷却。焰炬和喷水管以相同速度向前移动。由此,可造成一个两侧高,焊缝区低的温度场。两侧的金属因受热膨胀,对温度较低的焊接区进行拉伸,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。本法对焊缝比较规则,厚度不大(<40mm)的容器、船舶等板、壳结构具有一定的实用价值,如果工艺参数选择适当,可取得较好的消除应力效果。

（5）锤击焊缝法在焊后用手锤或一定直径半球形风锤锤击焊缝,可使焊缝金属产生延伸变形,能抵消一部分压缩塑性变形,起到减少焊接应力的作用。锤击时注意施力应适度,以免施力过大而产生裂纹。(6)振动法本法利用由偏心质量和变