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發(fā)表于 2016-7-20 17:12:39
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焊接工藝對(duì)不銹鋼焊接變形的研究
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摘要：當(dāng)今，不銹鋼焊接工藝作為一種實(shí)用的技術(shù)手段，已經(jīng)被我們廣泛使用。從小零件到航空航天，都有它的身影，應(yīng)用非常普遍。但是有一個(gè)問(wèn)題困擾了許多學(xué)者多年，那就是焊接過(guò)程時(shí)刻伴隨著焊接應(yīng)力，這種焊接應(yīng)力將會(huì)導(dǎo)致焊件產(chǎn)生變形，嚴(yán)重影響了焊件的質(zhì)量。隨著社會(huì)發(fā)展，這個(gè)問(wèn)題使焊接工藝面臨很大的挑戰(zhàn)，為了能讓它更好的服務(wù)我們的生活，我們必須對(duì)它有新的認(rèn)知，深入了解它的產(chǎn)生的原因、影響以及應(yīng)對(duì)措施，給予全方面的定位，做到與時(shí)俱進(jìn)。本文系統(tǒng)的研究了不銹鋼焊接變形的問(wèn)題。: j% O; V* w" {) A
關(guān)鍵詞：不銹鋼焊接工藝焊接應(yīng)力焊件變形原因影響應(yīng)對(duì)措施
2 r5 R( Z. a! f& d4 M5 Z前言：焊接工藝是現(xiàn)代工業(yè)中一種不可缺少的加工工藝方法之一。簡(jiǎn)單的說(shuō)，焊接工藝就是通過(guò)加熱、加壓將兩個(gè)物體鏈接起來(lái)。焊接過(guò)程中由于時(shí)刻存在應(yīng)力，在焊縫冷卻后難免會(huì)產(chǎn)生一些焊接變形，如橫向收縮、縱向收縮、角變形和縱向彎曲等，焊接變形不僅影響結(jié)構(gòu)的美觀，并且嚴(yán)重影響在使用中的裝配性。焊接工藝發(fā)展的前景非常廣闊，實(shí)用性也毋庸置疑，如果我們樹立正確的理念，深入了解學(xué)習(xí)，相信它會(huì)給我們帶來(lái)巨大的收益。
- g; v; T X6 n1 t8 f; J& P1. 不銹鋼焊接變形的種類. P' S( w* c7 `& i
焊接變形種類繁多，情況復(fù)雜，主要有收縮變形（橫向收縮、縱向收縮）、角變形、彎曲變形、波浪變形以及扭曲變形等。
2 N% }) u' H7 _8 P1.1 收縮變形（橫向收縮、縱向收縮）
m" P: E! M1 H1 l1 Q$ ?1 |焊件尺寸比焊前縮短的現(xiàn)象稱為收縮變形，此類變形又分為縱向收縮和橫向收縮。焊件在焊后垂直于焊縫方向的收縮叫橫向收縮。焊件在焊后沿焊縫長(zhǎng)度方間的收縮稱為縱向收縮。
( t0 Y- Z( Q) J# w& x1.2 角變形
. f* I+ M9 p; T, J; p9 u4 U角變形產(chǎn)生的根本原因如下，焊縫的截面總是上寬下窄，因而橫向收縮量在焊縫的厚度方向上分布不均勻，上面大、下面小，結(jié)果就形成了焊件的平面偏轉(zhuǎn)，兩側(cè)向上翹起一個(gè)角度，從而產(chǎn)生了角變形。角變形的大小以變形角α進(jìn)行度量。! |0 r* r8 B& R
1.3 彎曲變形
$ c. L6 r9 n# ]! A; M; \ a( B彎曲變形主要是指結(jié)構(gòu)上的焊縫布置不對(duì)稱或焊件斷面形狀不對(duì)稱時(shí)，焊縫收縮引起的變形。+ N1 i/ U8 d% o8 K/ {6 L ~- ?% {
1.4 波浪變形
9 ~* z2 X k- {* K0 G* I% z焊后構(gòu)件產(chǎn)生形似波浪的變形稱為波浪變形。此類變形通常發(fā)生于板厚小于6mm的薄板焊接過(guò)程中，又稱之為失穩(wěn)變形。薄板對(duì)接焊后，存在于板中的內(nèi)應(yīng)力，在焊縫附近是拉應(yīng)力，離開焊縫較遠(yuǎn)的兩側(cè)區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力，如壓應(yīng)力較大，平板失去穩(wěn)定就產(chǎn)生波浪變形。此外，當(dāng)焊件上的幾條角焊縫靠得很近時(shí)，由每角焊縫所引起的角變形連貫在一起也會(huì)形成波浪變形。; P' e1 z. |5 N5 ?
1.5 扭曲變形 A" f' M0 e6 ~0 m. E) e( e" q
產(chǎn)生的原因主要是焊縫角變形沿焊縫長(zhǎng)度方向分布不均勻。一般發(fā)生在有數(shù)條平行的長(zhǎng)焊縫的焊件上，如焊接工形梁。扭曲變形的產(chǎn)生往往與焊接方向或順序不當(dāng)有關(guān)。* o" ^* P! L8 X1 b0 V6 R1 S4 G
2. 不銹鋼焊接變形產(chǎn)生的原因
' {8 i* Z ]& W, q9 g焊接變形是由焊接時(shí)不均勻加熱引起的，熱源只集中在焊接部位，且以一定速度向前移動(dòng)，局部受熱金屬的膨脹能引起整個(gè)焊件發(fā)生平面內(nèi)或平面外的各種形態(tài)的變形。確切地說(shuō)是焊件焊后殘存于結(jié)構(gòu)中的殘余變形，它與焊件的形狀尺寸、材料的熱物理性能及加熱條件等因素有關(guān)。對(duì)所有熔化式焊接，在焊縫及其熱影響區(qū)都存在較大的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致焊接構(gòu)件的變形、開裂并降低其承載力。同時(shí)，在焊縫的焊趾部位還存在凹坑、余高、咬邊造成的應(yīng)力集中，而焊趾出的熔渣缺陷、微裂紋又形成了裂紋的提前萌生源。由于受殘余拉應(yīng)力、應(yīng)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(yīng)力都集中在焊縫附近，當(dāng)焊接殘余應(yīng)力與承載的工作應(yīng)力疊加，其數(shù)值超過(guò)材料的屈服極限時(shí)，工件就會(huì)再焊縫附近產(chǎn)生焊接變形，斷裂等現(xiàn)象。, g2 T b5 T; R+ n, P# c+ ?
3. 焊接變形對(duì)不銹鋼性能的影響. @% g" P h. e a/ u* @
焊接變形是焊接結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中最常見的問(wèn)題之一，它是使不銹鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形和開裂的主要原因。鋼結(jié)構(gòu)是鋼材通過(guò)一定的設(shè)計(jì)方法做成構(gòu)件，構(gòu)件再通過(guò)一定的連接方式連接成的整體結(jié)構(gòu)承力體系或傳力體系。目前不銹鋼結(jié)構(gòu)最主要的連接方式就是焊接。但由于焊接物理過(guò)程十分復(fù)雜，快速的不均勻加熱與冷卻，將不可避免地產(chǎn)生焊接變形，這將對(duì)不銹鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度有很大影響，而且過(guò)大的變形將顯著降低不銹鋼結(jié)構(gòu)的承載能力。在焊接過(guò)程中，在焊縫附近的熱影響區(qū)內(nèi)，不銹鋼鋼材的組織發(fā)生改變，導(dǎo)致局部材質(zhì)變脆，將會(huì)出現(xiàn)細(xì)小裂紋，焊接結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋很敏感，局部的裂縫一旦發(fā)生，就容易擴(kuò)展到整體。伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們必須不斷地認(rèn)識(shí)焊接變形產(chǎn)生的原因，掌握焊接變形規(guī)律，才能在不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中實(shí)施合理的控制方法。
/ I1 w6 e, P* \: |9 ^4. 應(yīng)對(duì)焊接變形的措施
' B- f- Z* n" }2 ]) K; o焊接變形的改進(jìn)包括：選擇合理的焊縫形狀和尺寸；減少焊縫數(shù)量；合理安排焊縫位置等。下面將從上述方面介紹一下應(yīng)對(duì)焊接變形的措施。( ~% f2 S& ^9 l# M9 a
4.1 采用合理的焊接順序控制變形
x8 A' p8 Z9 x3 H4 Z0 q3 j焊接平面上的焊縫，要保證縱向焊縫和橫向焊縫能夠自由收縮。而且要先焊收縮量較大的焊縫。對(duì)長(zhǎng)焊縫來(lái)說(shuō)宜采用分段焊法。對(duì)于對(duì)接接頭、T形接頭和十字接頭坡口焊接，在工件放置條件允許或易于翻身的情況下，宜采用雙面坡口對(duì)稱順序焊接。對(duì)于有對(duì)稱截面的構(gòu)件，宜采用對(duì)稱于構(gòu)件中和軸的順序焊接。對(duì)于非對(duì)稱截面的構(gòu)件宜采用先焊深坡口側(cè)部分焊縫、后焊淺坡口側(cè)、最后焊完深坡口側(cè)焊縫的順序。! n, o" ^' x1 |. j( K
4.2 反變形法
% E2 U, y H& O2 @: i& Y2 x為了抵消和補(bǔ)償焊接變形，焊前先將焊件向與焊接殘余變形相反的方向進(jìn)行人為的變形，這種方法稱為反變形法。反變形法是生產(chǎn)中最常用的方法，通常適用于控制焊件的角變形和彎曲變形。由于其簡(jiǎn)單有效，生產(chǎn)上常用于大型箱形構(gòu)件的合攏。( |# R2 Y5 K% h+ l$ \5 x P; t' v
4.3 剛性固定法/ N: r2 R# B- l$ `7 C1 P
利用夾具、支撐、專用胎具、定位焊等方法來(lái)增大結(jié)構(gòu)的剛性，減小焊接變形的方法稱為剛性固定法。剛性固定法減小變形很有效，且焊接時(shí)不必過(guò)分考慮焊接順序，然而，所有事物都具有兩面性，它也有它的缺點(diǎn)。有些大件不易固定，并且焊后撤除固定后，焊件還有少許變形和較大的殘余應(yīng)力。
& l# W7 i4 C. `+ H4.4 散熱法/ R @ P' T/ P8 `6 ?) x6 X, G$ ^1 h! ?
散熱法又稱強(qiáng)迫冷卻法。就是在焊接時(shí)用強(qiáng)迫冷卻的方法把焊接處熱量散走，使焊縫附近的金屬受熱面大大減小，從而達(dá)到減小變形的目的。散熱法有水浸法和散熱墊法。但散熱法比較麻煩，且對(duì)于淬火傾向大的鋼材不宜采用，否則易裂。+ d, |) Z& ^. g* d
4.5 自重法3 \ `% U0 Z6 c; h
利用焊件本身的質(zhì)量在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的變形來(lái)抵消焊接殘余變形的方法稱為自重法。$ v5 B4 n9 G' z& H4 ~2 S
4.6 錘擊焊縫法
8 P5 w8 H( n- Y' x" N% Z; r" ^7 Z錘擊焊縫法，即用圓頭小錘對(duì)焊縫敲擊，可減少焊接變形和應(yīng)力。因此對(duì)焊縫適當(dāng)鍛延，使其伸長(zhǎng)來(lái)補(bǔ)償這個(gè)縮短，就能減小變形和應(yīng)力。錘擊時(shí)用力要均勻，直至將焊縫表面打出均勻致密的點(diǎn)為止。3 U r# s+ d' u, Z# Z2 U. `2 y
4.7 焊后熱處理
( F2 B/ a( D1 m6 J% ?- u$ ?采用焊后熱處理方法的確可以在一定程度上消除焊接殘余應(yīng)力，但對(duì)于有些大的焊接結(jié)構(gòu)件而言，焊后熱處理是難以實(shí)現(xiàn)的。5 L& B, y3 E. P$ m% L$ k; M* O
5. 結(jié)語(yǔ)：8 n6 N6 G& I" Y
在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)日益發(fā)展的今天，焊接工藝仍不可或缺，焊接工藝在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將會(huì)被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。焊接工藝的應(yīng)用范圍很廣，大量運(yùn)用在航空航天、汽車制造及維修、船舶、五金等制造業(yè)中。焊接工藝包含的知識(shí)很多，我們現(xiàn)在接觸的知識(shí)一小部分，時(shí)代在進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)更在進(jìn)步，我們要想更深的了解焊接技術(shù)，就必須加深理念，虛心務(wù)實(shí)，了解它的發(fā)展方向，與時(shí)俱進(jìn)，斧正自己思想的航向，提出新的思想，這樣科學(xué)才會(huì)發(fā)展，時(shí)代才會(huì)進(jìn)步。 @) C1 y+ U1 {
參考文獻(xiàn)：
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[2]陳劍虹譯.不銹鋼焊接冶金學(xué)及焊接性[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.[3]趙昌盛等.不銹鋼的應(yīng)用及熱處理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.* I, B0 U6 G' V- H
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