焊接應力消除與防止焊接變形的方法

更新時間：2017/7/28  點擊數：35728

      工件在焊接過程中因為受到不均勻溫度場的作用而產生的形狀、尺寸變化稱為焊接變形。隨溫度變化而變化的稱為焊接瞬時變形；被焊工件完全冷卻到初始溫度時的改變，稱為焊接殘余變形。

      對所有熔化式焊接，在焊縫及其熱影響區都存在較大的殘余應力，殘余應力的存在會導致焊接構件的變形、開裂并降低其承載力；同時，在焊縫的焊趾部位還存在凹坑、余高、咬邊造成的應力集中；而焊趾處的熔渣缺陷、微裂紋又形成了裂紋的提前萌生源。由于受殘余拉應力、應力集中和裂紋萌生源的影響，焊接接頭的疲勞壽命大大降低。

      殘余應力都集中在焊縫附近，當焊接殘余應力與承載的工作應力疊加，其數值超過材料的屈服極限時，工件就會在焊縫附近產生焊接變形，斷裂等現象。研究殘余應力的影響不僅考慮其數值的大小，而殘余應力的方向也是重要因素，用盲孔法殘余應力檢測儀可以對焊接殘余應力值的大小和方向進行測量。在分析殘余應力的影響時，即使焊接構件的殘余應力值遠遠低于其材料的屈服極限，但如果存在嚴重的應力集中，那么焊接構件在其運輸和使用過程中也會因殘余應力的釋放而發生永久性的塑性變形。

豪克能焊接應力消除設備，能百分百消除焊接應力，防止焊接變形。

一、根據焊件的不同要求來選用焊接應力消除與減少焊接變形的原則：
1、
焊接結構要求控制變形（一般是指塑性好，剛性小的薄壁焊接結構）時，可選用剛性固定法焊接、反變形法焊接和逆向分段焊接法等。
2、焊接結構要求控制應力（一般是指空淬傾向大，塑性差的焊接材料，合金鋼管對接焊、缸體補焊等）時，可選用預熱焊接、焊后回火焊接、錘擊焊縫法焊接等。
3、焊接若以減少變形為主，則盡可能使各條焊縫的變形限制到*小值或其變形方向相反、相互抵消，可選用對稱焊、逐步退焊、分中對稱焊、跳焊等。
4、焊接若以降低應力為主，則盡可能使各條焊接焊縫能自由收縮或受阻礙較小，應先焊收縮量大的焊縫，焊縫方向指向自由端，焊后回火等。
5、焊接限制波浪變形，以剛性固定法焊接較好；限制角變形焊接和彎曲變形焊接，以反變形法焊接或剛性固定法焊接聯合使用。原則是：剛性小的焊件采用彈性反變形，剛性大的焊件則以塑性反變形較好。
6、焊接縱向或橫向收縮，一般采用下料時預留長度來補償其縮短量。
大厚度焊件焊接時，焊縫存在的應力是沿空間三個方向作用的。三個方向的應力會顯著降低焊縫金屬的強度和沖擊韌性，導致裂紋。因此，焊接厚壁管時要采取措施降低焊接殘余應力，通常采用的辦法是焊前預熱、對稱焊和多層多道焊。

二、焊接應力的消除方法主要有：
1、利用錘擊焊縫區來控制焊接殘余應力焊接殘余應力產生的根本原因是由于焊縫在冷卻過程中的收縮，因此，焊后用小錘輕敲焊縫及其鄰近區域，使金屬展開，能有效地減少焊接殘余應力。據測定，利用錘擊法可使殘余應力減少1/2~1/4。錘擊焊縫時，構件溫度應當維持在100~150℃之間，或在400℃以上，避免在200~300℃之間進行，因為此時金屬正處于藍脆階段，若錘擊焊縫容易造成斷裂。
多層焊時，除層和*后一層焊縫外，每層都要錘擊。層不錘擊是為了避免產生根部裂紋；*后一層通常焊得很薄，主要是為了消除由于錘擊而引起的冷作硬化。

2、利用振動時效法來消除焊接殘余應力構件承受變載荷應力達到一定數值，經過多次循環加載后，結構中的殘余應力逐漸降低，即利用振動的方法可以消除部分焊接殘余應力。一種大型焊件使用振動器消除應力的裝置。振動法的優點是設備簡單、成本低，時間比較短，沒有高溫回火時的氧化問題，已在生產上得到一定應用。

3、利用“加熱減應區法”來控制焊接殘余應力焊接時，加熱那些阻礙焊接區自由伸縮的部位，使之與焊接區同時膨脹和同時收縮，就能減小焊接應力，這種方法稱為“加熱減應區法”，加熱的部位就稱之為“減應區”。利用“加熱減應區法”減小焊接應力，關鍵在于正確選擇“減應區”的部位，總的原則是選擇那些阻礙焊接區自由膨脹和伸縮的部位。必須注意，焊接區本身絕不能作為減應區的部位，因為那時焊接應力非但不減小，相反還會增加。實際操作時，檢驗減應區的部位是否選擇正確，可用氣體火焰在該處加熱一下，若焊接縫隙處張開，則表示選擇正確。

4、利用降低結構局部剛來控制焊接殘余應力構件的剛度增加時，焊后的殘余應力將顯著加
大。因此，在條件許可時，焊前采取一定的工藝措施，將焊接區域的局部剛度降低，能有效地降低焊接殘余應力。例如，一圓形封頭補焊時，需加一塞塊。因封頭較厚又是封閉焊縫，所以焊接應力很大，焊后在焊縫中經常發現裂紋。今在靠近焊縫處開兩圈緩和槽，降低了接頭處的局部剛度，使焊接應力大為降低，有效地防止了裂紋。
5、利用預熱法來控制焊接殘余應力構件本體上溫差越大，焊接殘余應力也越大。焊前對構件進行預熱，能減小溫差和減慢冷卻速度，兩者均能減小焊接殘余應力。預熱法經常用于減小合金鋼(奧氏體不銹鋼除外)、厚板、剛度大的構件焊接時產生的應力。若構件整體預熱有困難時，可采用局部預熱，即在焊縫及其兩側不少于80mm處進行加熱。因為加熱區太窄，會造成新的溫差應力。
6、利用高溫回火來消除焊接殘余應力由于構件殘余應力的*大值通�？蛇_到該種材料的屈服點，而金屬在高溫下屈服點將降低。所以將構件的溫度升高至某一定數值時，應力的*大值也應該減少到該溫度下的屈服點數值。如果要完全消除結構中的殘余應力，則必須將構件加熱到其屈服點等于零的溫度，所以一般所取的回火溫度接近于這個溫度。
（1）整體高溫回火
將整個構件放在爐中加熱到一定溫度，然后保溫一段時間再冷卻。通過整體高溫回火可以將構件中80%~90%的殘余應力消除掉，這是生產中應用*廣泛、效果*好的一種消除殘余應力的方法�；鼗饡r間隨構件厚度而定，鋼按每毫米壁厚l~2min計算，但不宜低于30min，不必高于3h，因為殘余應力的消除效果隨時間迅速降低，所以過長的處理時間是不必要的。
（2）局部高溫回火
只對焊縫及其局部區域進行加熱消除殘余應力。消除應力的效果不如整體高溫回火，此方法設備簡單，常用于比較簡單的、剛度較小的構件，如長筒形容器、管道接頭、長構件的對接接頭等焊接殘余應力的消除。
7、利用溫差拉伸法來消除焊接殘余應力溫差拉伸法消除焊接殘余應力的基本原理與機械拉伸法相同，主要差別是利用局部加熱的溫差來拉伸焊縫區。溫差拉伸法是在焊縫兩側各用一個寬度適當的氧乙炔焰焊炬進行加熱，在焊炬后面一定距離，用一根帶有排孔的水管進行噴水冷卻。氧乙炔焰和噴水管以相同速度向前移動。這就形成了一個兩側溫度高(峰值約為200℃)、焊接區溫度低(約為100℃)的溫度差。兩側金屬受熱膨脹對溫度較低的區域進行拉伸，這樣就可消除部分殘余應力。據測定，消除殘余應力的效果可達50%~70%。
8、爆炸法通過布置在焊縫附近的炸藥帶，引爆產生的沖擊波與焊接殘余應力的交互作用，使金屬產生適量的塑性變形，從而消除焊接殘余應力的方法，叫焊接殘余應力爆炸法。