建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力與消除方法探索

真正 · 發(fā)表于 2008-12-1 18:18:13

轉(zhuǎn)載2008-12-1

摘要：
本文介紹了建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果及控制殘余應(yīng)力的意義，以詳實(shí)的
數(shù)據(jù)分析了幾種可能采用的消應(yīng)力方法，提出了在建筑鋼結(jié)構(gòu)制造中采用振動(dòng)時(shí)效與振動(dòng)焊接
工藝的建議。
關(guān)鍵詞：
建筑鋼結(jié)構(gòu)；焊接；殘余應(yīng)力；時(shí)效
前言
0
建筑鋼結(jié)構(gòu)是否需要和能否進(jìn)行時(shí)效工藝，除熱時(shí)效外還有什么合適的消應(yīng)力工藝可用于建筑鋼結(jié)構(gòu)，是人們關(guān)心的問(wèn)題。隨“奧運(yùn)”和“世博”工程的推展，我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)制造量近年迅猛上升。出現(xiàn)用鋼量達(dá)十萬(wàn)噸的單體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度級(jí)別由235Mpa、345Mpa上升到390Mpa 乃至460Mpa，結(jié)構(gòu)件板厚達(dá)到80－120mm，或更高。因此，目前的建筑鋼結(jié)構(gòu)制造形勢(shì)對(duì)開(kāi)展建筑鋼結(jié)構(gòu)消應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用研究及建立和完善相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)是個(gè)難得的機(jī)會(huì)。本文作者根據(jù)多年的實(shí)踐，介紹幾個(gè)大型鋼結(jié)構(gòu)及建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的焊接殘余應(yīng)力測(cè)量及應(yīng)力消除的結(jié)果；以此為基礎(chǔ)，提出了在建筑鋼結(jié)構(gòu)制造中采用振動(dòng)時(shí)效與振動(dòng)焊接工藝的建議。
1 建筑鋼結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力
建筑焊接鋼結(jié)構(gòu)與一般的焊接構(gòu)一樣，同樣存在焊接殘余應(yīng)力。以上海安亭蘊(yùn)藻浜大橋?yàn)?font class="jammer">+ o. Q9 \ o9 }0 l \- p7 b
例，鋼號(hào)為Q345B，σs=345MPa。其先在工廠(chǎng)進(jìn)行箱型分段焊接，然后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼焊。采用盲孔法對(duì)拼焊殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1：
表1 蘊(yùn)藻浜大橋現(xiàn)場(chǎng)焊后殘余應(yīng)力
位置應(yīng)力Mpa 最大主應(yīng)力最小主應(yīng)力剪應(yīng)力縱向應(yīng)力橫向應(yīng)力
上表面埋弧焊縱縫極值 315 -95 133 77 287
平均值 157 2 78 64 94
下表面手工焊縱縫極值 81 -74 79 48 -34
平均值 62 -46 54 31 -15
人孔封板手工焊縫極值 261 94 79 232 133
平均值 184 103 41 173 114
表1
結(jié)果表明：下表面焊縫為先焊焊縫，殘余應(yīng)力水平比較低，而后焊接的上表面焊縫的應(yīng)力水平則很高，個(gè)別值接近母材σs，平均值接近或超過(guò)σs/2水平；下文表2、3、4的數(shù)據(jù)也可以證實(shí)這種狀況。焊接構(gòu)件由于存在高的拉伸殘余應(yīng)力，且焊縫部位存在熱影響區(qū)、焊趾缺陷、接頭應(yīng)力集中，形成構(gòu)件上組織和力學(xué)的薄弱部位，有可能導(dǎo)致構(gòu)件運(yùn)行時(shí)的變形、早期開(kāi)裂、應(yīng)力腐蝕、疲勞斷裂和脆性斷裂。因此，在可能的情況下采用適合的時(shí)效工藝以改善組織性能及消除殘余應(yīng)力，將可有效地提高構(gòu)件的穩(wěn)定性和安全性及使用壽命。
2 建筑鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的消除工藝
實(shí)際上一些高要求的建筑大型焊接鋼結(jié)構(gòu)上已采用了時(shí)效工藝，包括有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支持的熱時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效、TIG重熔和錘擊工藝，以及研發(fā)中的振動(dòng)焊接、超聲沖擊、爆炸法技術(shù)。
2.1 熱時(shí)效
表2 金茂大廈轉(zhuǎn)換柱熱時(shí)效消應(yīng)力效果分析表
殘余應(yīng)力（MPa）最大主應(yīng)力最小主應(yīng)力縱向應(yīng)力橫向應(yīng)力
熱處理前平均值 135 51 58 128
熱處理后平均值 79 16 30 64
熱處理前后差值 56 35 28 64
變化率（%） 41 68 48 50
對(duì)重要焊接構(gòu)件先進(jìn)行整體熱時(shí)效，然后在現(xiàn)場(chǎng)與其它構(gòu)件進(jìn)行組合拼焊的工藝是建筑鋼結(jié)構(gòu)制造常采用的方法。上海金茂大廈的鋼架采用全焊接結(jié)構(gòu)，在工廠(chǎng)完成零部構(gòu)件制造、且對(duì)受力構(gòu)件－轉(zhuǎn)換柱先進(jìn)行整體熱時(shí)效，然后運(yùn)現(xiàn)場(chǎng)拼焊。采用盲孔法殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換柱熱時(shí)效工藝效果的評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表2。
目前，熱時(shí)效仍是一種主流工藝，其具有焊縫去氫、恢復(fù)塑性和消應(yīng)力三重功能。一般認(rèn)為熱時(shí)效的消應(yīng)力效果為40－80％，表2的結(jié)果符合這個(gè)規(guī)律；然而對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)而言，現(xiàn)場(chǎng)拼焊而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力將依然存在于鋼結(jié)構(gòu)中，而在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步采用熱時(shí)效工藝就十分困難了；局部熱時(shí)效可以降低被處理焊接接頭的應(yīng)力，但加熱帶邊緣會(huì)產(chǎn)生新的熱處理應(yīng)力，且局部熱時(shí)效實(shí)施比較困難，能耗很大。因此，需考慮其它補(bǔ)充、替代工藝。
2.2 TIG 重熔
焊趾缺陷是一種焊道融合線(xiàn)上中難以避免的小而尖銳、連續(xù)的缺陷，往往成為結(jié)構(gòu)疲勞破壞的裂紋源。常采用TIG 重熔工藝對(duì)焊趾進(jìn)行修整，重建裂紋起裂前的狀態(tài)，降低由于焊趾缺陷所造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象，以延長(zhǎng)了疲勞壽命。同時(shí)TIG 重熔也能改善焊縫區(qū)的橫向殘余應(yīng)力；上海寶冶工程技術(shù)公司進(jìn)行重型門(mén)式起重機(jī)大梁維修，對(duì)其拘束模擬焊接試板焊縫TIG 重熔前后的殘余應(yīng)力，通過(guò)X
射線(xiàn)方法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

由此可見(jiàn)：TIG重熔對(duì)于焊縫的縱向殘余應(yīng)力改善不明顯，殘余應(yīng)力絕對(duì)值下降不大；但對(duì)于縱向殘余應(yīng)力的均勻分布有一定效果。但對(duì)橫向殘余應(yīng)力有明顯的改善效果，殘余應(yīng)力絕對(duì)值下降明顯而且分布趨于均勻。考慮到
建筑鋼結(jié)構(gòu)的載荷特點(diǎn)以及生產(chǎn)效率的要求，TIG重熔可在橫向拘束應(yīng)力大的焊道上，作為緩和橫向殘余應(yīng)力、降低應(yīng)力集中的輔助工藝。
表3
重熔前后殘余應(yīng)力均值對(duì)比（材料：Q345；單位Mpa）
縱向應(yīng)力橫向應(yīng)力編號(hào) 重熔前重熔后下降量％重熔前重熔后下降量％
1 209 199 5.0 56 57 -2.3
2 206 240 -16.4 59 64 -8.0
3 236 213 9.6 -57 29 -150.9
4 265 245 7.7 259 84 67.5
5 189 201 -6.4 206 114 44.6
6 221 219 0.7 105 70 33.4
表4 典型焊接構(gòu)件振動(dòng)時(shí)效的效果
2.3
振動(dòng)時(shí)效（VSR）
振動(dòng)時(shí)效是對(duì)構(gòu)件施加交變應(yīng)力，與構(gòu)件上的殘余應(yīng)力疊加達(dá)到材料的屈服應(yīng)力，發(fā)生局部的宏觀(guān)和微觀(guān)塑性變形；這種塑性變形往往首先發(fā)生在殘余應(yīng)力最大處和構(gòu)件的應(yīng)力集中點(diǎn)，使這里的殘余應(yīng)力得以釋放，達(dá)到降低和均化殘余應(yīng)力的作用。應(yīng)用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)在我國(guó)已達(dá)25年，相繼出臺(tái)三個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]，也已納入我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)施工規(guī)范，技術(shù)成熟。由于振動(dòng)時(shí)效經(jīng)濟(jì)性好、方法簡(jiǎn)單、工藝快捷、效果顯著、適用面廣，且不受構(gòu)件的大小、重量以及場(chǎng)地的限制，
已廣泛應(yīng)用于機(jī)床、起重運(yùn)輸、冶金、化工等制造業(yè)，也滲入到核工業(yè)（核反應(yīng)堆內(nèi)構(gòu)件、核聚變?cè)O(shè)備）、磁懸浮交通、宇航等高尖領(lǐng)域。幾個(gè)典型焊接構(gòu)件振
動(dòng)時(shí)效的效果分析見(jiàn)表4。
表4 典例皆應(yīng)用功率不大于2KW的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，對(duì)一個(gè)構(gòu)件的處理時(shí)間一般為20－45分鐘，結(jié)果表明：振動(dòng)時(shí)效的消應(yīng)力效果為20－50％；盡管振動(dòng)時(shí)效不具備去氫和恢復(fù)塑性的功能，但從尺寸穩(wěn)定性比較，已達(dá)到和超過(guò)熱時(shí)效的水平，振動(dòng)時(shí)效是一種以消應(yīng)力、提高尺寸穩(wěn)定性為目標(biāo)的替代熱時(shí)效的先進(jìn)工藝。盡管目前振動(dòng)時(shí)效在建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用尚少，
但根據(jù)建筑鋼結(jié)構(gòu)的載荷特點(diǎn)與施工要求，振動(dòng)時(shí)效有可能成為今后建筑鋼結(jié)構(gòu)消應(yīng)力的主流工藝之一。
2.4
振動(dòng)焊接（VW or VCW）
振動(dòng)焊接又稱(chēng)振動(dòng)調(diào)制焊接、隨焊振動(dòng)，是目前國(guó)內(nèi)外正在研發(fā)的新技術(shù)；在振動(dòng)時(shí)效標(biāo)準(zhǔn)的附錄中，已確認(rèn)為可與振動(dòng)時(shí)效組合的工藝之一[1]。其不改變?cè)械暮附庸に�；在焊接過(guò)程，通過(guò)一個(gè)幾百瓦的小激振器對(duì)構(gòu)件注入頻率和振幅可控的振動(dòng)，即形成振動(dòng)焊接。這種限幅的振動(dòng)，勢(shì)必對(duì)焊接熔池和熱影響區(qū)產(chǎn)生一定的作用：
⑴
當(dāng)焊縫金屬在熔融狀態(tài)下，由于振動(dòng)使氣泡、雜質(zhì)等容易上浮、排除。

工程材料尺寸mm/重量ton消應(yīng)力效％
200 噸級(jí)行車(chē)大梁 Q235 29000*3200*2000 13-22
4000 噸級(jí)鍛機(jī)上橫梁 Q235 130 噸 29
港口起重機(jī)卷筒體 Q345 D1400*13800δ50 30－56
核聚變?cè)囼?yàn)裝置底板 304L D7800 δ90 31
300MW 火電機(jī)架 20G D2900*3400 22-49
磁懸浮交通功能件 16Mn+軟磁鋼 3000*500*450 31
⑵
在結(jié)晶過(guò)程振動(dòng)可細(xì)化晶粒，使焊縫的力學(xué)性能得到提高。
⑶溫度大于600℃的區(qū)域，材料在強(qiáng)度逐步恢復(fù)的冷卻過(guò)程中，伴隨振動(dòng)的熱塑性變形，使逐步形成的焊接殘余應(yīng)力得到降低和均化，可減少焊接變形及焊接裂紋的形成。
表5 是對(duì)BB503 厚板(90mm)電渣焊采用振動(dòng)焊接的應(yīng)力測(cè)量結(jié)果。BB503 材料的屈服強(qiáng)度為295－315Mpa，試驗(yàn)表明：采用振動(dòng)焊接（VW）或復(fù)合振動(dòng)焊接（VSR+VW）可明顯降低殘余應(yīng)力水平，且接頭性能優(yōu)化，如：側(cè)彎合格率也由原25％上升為75-100％。對(duì)Q235材料焊接的H型輕鋼（H900X200X6/8，長(zhǎng)6m）的試驗(yàn)表明，振動(dòng)焊接可使焊接變形下降21-32％。
表5 BB503 厚板振動(dòng)焊接的殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果
工藝最大主應(yīng)力最小主應(yīng)力縱向應(yīng)力橫向應(yīng)力
0.6gVW 極值 209 -92 206 85
平均值 117 -16 109 -8
0.3gVW＋0.6gVSR 極值 81 -121 64 24
平均值 37 -47 28 -39
國(guó)內(nèi)外的研究和實(shí)驗(yàn)都表明，振動(dòng)焊接工藝經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便、高效，特別是可以在大型焊接鋼結(jié)構(gòu)上實(shí)施，振動(dòng)焊接在降低焊縫殘余應(yīng)力、減少工件變形、提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命、提高接頭力學(xué)性能，即全面提高焊縫質(zhì)量方面有顯著作用�；谡駝�(dòng)焊接的優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)重大工程中，對(duì)一些采用熱時(shí)效工藝有困難的結(jié)構(gòu)，已開(kāi)始試驗(yàn)振動(dòng)焊接工藝，包括核聚變?cè)囼?yàn)裝置、大厚壁高爐爐體、大直徑閥體等。若能加強(qiáng)振動(dòng)焊接在建筑鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用試驗(yàn)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)，振動(dòng)焊接很可能成為補(bǔ)充、替代傳統(tǒng)熱時(shí)效的又一重要工藝。
2.5 超聲沖擊與錘擊
超聲沖擊消應(yīng)力技術(shù)由烏克蘭巴頓焊接研究所提出，近年引入我國(guó)，已在北京電視臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)立柱上進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)。超聲沖擊消應(yīng)力工藝的特點(diǎn)是：在超聲（≥16KHz）下應(yīng)用束狀沖頭，在對(duì)焊趾和焊縫表面進(jìn)行沖擊；試驗(yàn)表明：
⑴
超聲沖擊對(duì)一定深度的表層有消應(yīng)力的效果，在采用對(duì)焊道全覆蓋沖擊時(shí)，被沖
擊的表面會(huì)形成壓應(yīng)力，對(duì)2～4mm 深度層消應(yīng)力效果可達(dá)34～55％。
⑵
采用焊趾沖擊法，可以快速修復(fù)焊趾的缺陷，降低應(yīng)力集中。并伴隨其壓應(yīng)力區(qū)的作用可以在一定程度上降低焊趾邊未受沖擊焊縫的殘余應(yīng)力，下降率達(dá)19％，對(duì)提高接頭的疲勞壽命有明顯作用。
⑶
由于沖擊工藝處理的特點(diǎn)，僅可以用于沖擊工具可達(dá)的外表面，其工作效率約為1200mm2/min。沖擊工藝是以點(diǎn)接觸、壓應(yīng)力屈服為主要特征的“面效應(yīng)”型消應(yīng)力工藝，伴隨一定的振動(dòng)時(shí)效效果，比較適合高拘束狀態(tài)短焊縫的局部處理。如局部的焊接修復(fù)、大構(gòu)件的組配焊接以及在厚壁結(jié)構(gòu)上焊小構(gòu)件，其焊縫處承受較大的拘束應(yīng)力，且焊后易產(chǎn)生延遲冷裂紋等情況。可作為其它消應(yīng)力工藝的補(bǔ)充工藝。應(yīng)用人工或氣動(dòng)的錘擊消應(yīng)力工藝，通過(guò)敲擊振動(dòng)及表面壓應(yīng)力屈服實(shí)現(xiàn)消應(yīng)力效果。該工藝已進(jìn)入美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范，我國(guó)也成功應(yīng)用于大型轉(zhuǎn)爐的焊接和大型水輪機(jī)異重金屬焊接的消應(yīng)力處理。由于錘擊工藝難以規(guī)范，對(duì)周邊干擾大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，往往作為補(bǔ)充、應(yīng)急工藝。
2.6 爆炸法工藝
將特種專(zhuān)用炸藥沿焊縫走向粘貼在焊縫附近。炸藥引爆后產(chǎn)生連續(xù)的沖擊波迫使結(jié)構(gòu)的峰值應(yīng)力區(qū)域發(fā)生塑性變形，以此達(dá)到消應(yīng)力的目的。據(jù)報(bào)道消除厚度可達(dá)70mm，效果可達(dá)60％，瞬間完成，適合大型和特大型結(jié)構(gòu)，在水利涵管方面應(yīng)用較多。爆炸法消應(yīng)力施工時(shí)十分強(qiáng)調(diào)安全措施，故在城市建筑中應(yīng)用有一定困難。

真正 · 發(fā)表于 2008-12-1 18:19:28

3 討論與結(jié)論
⑴
建筑鋼結(jié)構(gòu)焊后存在高的殘余應(yīng)力，時(shí)效工藝可以明顯降低應(yīng)力水平，對(duì)安全性及使用壽命帶來(lái)好處。
⑵
上述消應(yīng)力工藝皆可應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)：其中熱時(shí)效可作為重要零部件的整體消應(yīng)力工藝；局部熱時(shí)效、TIG重熔、超聲沖擊、錘擊可作為現(xiàn)場(chǎng)拼焊后的消應(yīng)力和控制應(yīng)力集中的工藝；振動(dòng)時(shí)效和振動(dòng)焊接則可更廣泛地滿(mǎn)足零部件制造和現(xiàn)場(chǎng)拼焊控制殘余應(yīng)力的要求。
⑶
在目前的建筑鋼結(jié)構(gòu)制造中，除熱時(shí)效外尚有多種消應(yīng)力工藝尚未得到有效應(yīng)用，應(yīng)加強(qiáng)應(yīng)用試驗(yàn)，把在其它行業(yè)已成功的技術(shù)進(jìn)行移植、推廣應(yīng)用，并逐步建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
⑷
我國(guó)的振動(dòng)時(shí)效和振動(dòng)焊接技術(shù)在國(guó)際上占領(lǐng)先地位；這兩種工藝對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的載荷特點(diǎn)和制造要求具有良好的適用性，應(yīng)首先加強(qiáng)這兩種工藝的應(yīng)用試驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)：
[1] JB/T10375-200，焊接結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)選擇及要求[S].北京：中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.
焊接應(yīng)力
一、焊接殘余應(yīng)力的分類(lèi)
1
．根據(jù)應(yīng)力性質(zhì)劃分：拉應(yīng)力、壓應(yīng)力
2
．根據(jù)引起應(yīng)力的原因劃分：熱應(yīng)力、組織應(yīng)力、拘束應(yīng)力
3
．根據(jù)應(yīng)力作用方向劃分：縱向應(yīng)力、橫向應(yīng)力、厚度方向應(yīng)力
4
．根據(jù)應(yīng)力在焊接結(jié)構(gòu)中的存在情況劃分：?jiǎn)蜗驊?yīng)力、兩向應(yīng)力、三向應(yīng)力
5
．根據(jù)內(nèi)應(yīng)力的發(fā)生和分布范圍劃分：第一類(lèi)應(yīng)力、第二類(lèi)應(yīng)力、第三類(lèi)應(yīng)力
二、焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律
1
．縱向應(yīng)力бx 的分布
бx 在焊件橫截面上的分布規(guī)律為：焊縫及其附近區(qū)域?yàn)闅堄嗬瓚?yīng)力，一般可達(dá)材料的屈服
強(qiáng)度，隨著離焊縫距離的增加，拉應(yīng)力急劇下降并轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力。бx在焊件縱截面上的分布規(guī)律為：在焊件縱截面端頭，бx=0，越靠近縱截面的中間，бx越大，逐漸趨近于бs。如圖2-9所示。圖2-11為板邊堆焊時(shí)，бx在焊縫橫截面上的分布。T 形接頭的бx布與立板和水平板尺寸有很大關(guān)系，δ/h
越小，接近于板邊堆焊的情況；δ/h越大，接近于等寬板對(duì)接的情況。
2
．橫向應(yīng)力бy 的分布 бy =бy′+бy″бy′：
焊縫及其塑性變形區(qū)的縱向收縮引起的橫向應(yīng)力；бy″：
焊縫及其塑性變形區(qū)的橫向收縮不均勻、不同時(shí)引起的橫向應(yīng)力。
3
．特殊情況下的焊接殘余應(yīng)力
① 厚板中的焊接殘余應(yīng)力
② 拘束狀態(tài)下焊接殘余應(yīng)力
③ 封閉焊縫中的殘余應(yīng)力
④ 焊接梁柱中的殘余應(yīng)力
⑤ 焊接管道中的殘余應(yīng)力
三、焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響
1
．對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響
只要材料具有足夠的塑性，焊接殘余應(yīng)力的存在并不影響結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度。對(duì)脆性材料制造的焊接結(jié)構(gòu)，由于材料不能進(jìn)行塑性變形，隨著外力的增加，構(gòu)件不可能產(chǎn)生應(yīng)力均勻化，所以在加載過(guò)程中
應(yīng)力峰值不斷增加。當(dāng)應(yīng)力峰值達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時(shí)，局部發(fā)生破壞，而最后導(dǎo)致構(gòu)件整體破壞。所以焊接殘余應(yīng)力對(duì)脆性材料的靜載強(qiáng)度有較大的影響。
2
．對(duì)構(gòu)件加工尺寸精度的影響
3
．對(duì)梁柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響
四、減小焊接殘余應(yīng)力的措施
一般來(lái)說(shuō)，可以從設(shè)計(jì)和工藝兩方面著手：
1
．設(shè)計(jì)措施
①
盡可能減少焊縫數(shù)量；
②
合理布置焊縫；
③
采用剛性較小的接頭形式。
2
．工藝措施
（1
）采用合理的裝配和焊接順序及方向
①
鋼板拼接焊縫的焊接；
②
同時(shí)存在收縮量大和收縮量小的焊縫時(shí)，應(yīng)先焊收縮量大的
焊縫；
③
對(duì)工作時(shí)受力較大的焊縫應(yīng)先焊；
④
平面交叉焊縫的焊接。
（2
）縮小焊接區(qū)與結(jié)構(gòu)整體之間的溫差
（預(yù)熱法、冷焊法）
（3
）加熱“減應(yīng)區(qū)”法
（4
）降低接頭局部的拘束度
（5
）錘擊焊縫
五、消除焊接殘余應(yīng)力的方法
1
．熱處理法
熱處理法是利用材料在高溫下屈服點(diǎn)下降和蠕變現(xiàn)象來(lái)達(dá)到松馳焊接殘余應(yīng)力的目的，同時(shí)熱處理還可以改善接頭的性能。
（1）整體熱處理
整體爐內(nèi)熱處理、整體腔內(nèi)熱處理
整體加熱熱處理消除殘余應(yīng)力的效果取決于熱處理溫度、保溫時(shí)間、加熱和冷卻速度、加熱方法和加熱范圍。保溫時(shí)間根據(jù)板厚確定，一般按每毫米板厚1~2 min計(jì)算，但最短不小于30 min，最長(zhǎng)不超過(guò)3h。
碳鋼及中、低合金鋼：加熱溫度為580~680℃；
鑄鐵：加熱溫度為600~650℃。
（2）局部熱處理
局部熱處理只能降低殘余應(yīng)力峰值，不能完全消除殘余應(yīng)力。加熱方法有電阻爐加熱、火焰加熱、感應(yīng)加熱、遠(yuǎn)紅外加熱等，消除應(yīng)力效果與加熱區(qū)的范圍、溫度分布有關(guān)。
2
．加載法
加載法就是通過(guò)不同方式在構(gòu)件上施加一定的拉伸應(yīng)力，使焊縫及其附近產(chǎn)生拉伸塑性變形，與焊接時(shí)在焊縫及其附近所產(chǎn)生的壓縮塑性變形相互抵消一部分，達(dá)到松馳應(yīng)力的目的。
（1）機(jī)械拉伸法
（2）溫差拉伸法
（3）振動(dòng)法
六、焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定
目前，測(cè)定焊接殘余應(yīng)力的方法主要可歸結(jié)為兩類(lèi)，即機(jī)械方法和物理方法。
1
．機(jī)械方法
利用機(jī)械加工將試件切開(kāi)或切去一部分，測(cè)定由此而釋放的彈性應(yīng)變來(lái)推算構(gòu)件中原有的殘余應(yīng)力。包括切條法、鉆孔法和套孔法。
2
．物理方法
是非破壞性測(cè)定焊接殘余應(yīng)力的方法，常用的有磁性法、超聲波法和X射線(xiàn)衍射法。
（1）磁性法是利用鐵磁材料在磁場(chǎng)中磁化后的磁致伸縮效應(yīng)來(lái)測(cè)量殘余應(yīng)力的。
（2）X 射線(xiàn)衍射法是根據(jù)測(cè)定金屬晶體晶格常數(shù)在應(yīng)力的作用下發(fā)生變化來(lái)測(cè)定殘余應(yīng)力
的無(wú)損測(cè)量方法。
（3）超聲波法是根據(jù)超聲波在有應(yīng)力的試件和無(wú)應(yīng)力的試件中傳播速度的變化來(lái)測(cè)定殘余
應(yīng)力的。
焊接應(yīng)力的控制及消除
高紅, 曲金萍, 劉風(fēng)山, 龔幫軍, 馬艷
(鐵煤集團(tuán)公司大興煤礦, 遼寧調(diào)兵山112700)

真正 · 發(fā)表于 2008-12-1 18:20:44

摘要:通過(guò)對(duì)焊件在焊接中產(chǎn)生應(yīng)力的分析,提出科學(xué)合理地控制及消除焊接應(yīng)力的方法。
關(guān)鍵詞:焊縫; 焊接應(yīng)力; 溫度
0 前言
在對(duì)礦山設(shè)備的機(jī)修件進(jìn)行焊接中,為防止和減少焊件變形,必須控制焊修區(qū)域的收縮,但是對(duì)收縮變形的控制將會(huì)促進(jìn)內(nèi)應(yīng)力的顯著增加。焊件自身在焊接過(guò)程中,由于受到不均勻的加熱和冷卻,在結(jié)構(gòu)中必然會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力,這些焊接應(yīng)力會(huì)殘留在焊后已經(jīng)冷卻的結(jié)構(gòu)中。焊接應(yīng)力是引起焊接接頭中產(chǎn)生各種焊接裂紋的重要因素。焊后殘留在結(jié)構(gòu)中的焊接應(yīng)力將會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的使用壽命;因此,控制和消除焊接應(yīng)力值,有利于提高整個(gè)構(gòu)件的焊
接質(zhì)量。
1 控制焊接應(yīng)力的方法
1.1 從設(shè)計(jì)上考慮控制焊接應(yīng)力的方法控制焊接殘余應(yīng)力可以從焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上考慮,在保證結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度條件下,盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸。
1.2 合理的焊接順序法
在焊接過(guò)程中盡量使所焊焊縫能自由收縮。先焊收縮量較大的焊縫,使其能在結(jié)構(gòu)整體剛性較小的情況下自由收縮;先焊錯(cuò)開(kāi)的短焊縫,后焊直通長(zhǎng)焊縫;當(dāng)結(jié)構(gòu)上的多余焊縫受力不均時(shí),應(yīng)先焊在工作時(shí)受力較大的焊縫,使焊接應(yīng)力能合理地分布;焊接帶有交叉焊縫的接頭,焊接時(shí)必須采用保證交叉點(diǎn)部位不易產(chǎn)生缺陷的焊接順序。如:井下用起吊間在構(gòu)件上分布著對(duì)接焊縫和角焊縫兩種焊縫形式,由于對(duì)接焊縫的收縮量大于角焊縫的收縮量,所以應(yīng)先焊對(duì)接焊縫。
1.3 降低局部剛性法
結(jié)構(gòu)剛性增加時(shí),焊接應(yīng)力隨之加大,降低局部剛性有利于減少應(yīng)力。焊接封閉焊縫或剛性較大的焊縫,焊接時(shí)可以采取反變形法降低結(jié)構(gòu)的局部剛性,也可根據(jù)情況在焊縫附近開(kāi)緩和槽,降低焊接部位的局部剛性,盡量使焊縫有自由收縮的可能,以便能有效地減少焊接應(yīng)力。
1.4 預(yù)熱和緩冷方法
焊件本體上溫差越大,焊接應(yīng)力也越大。焊前對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱能減小溫差和減慢冷卻速度,兩者均能減少焊接應(yīng)力。在焊修前將工件放在爐內(nèi)加熱到一定溫度(100～600℃) ,并在焊接過(guò)程中防止加熱后的工件急劇冷卻,這樣降低焊修部分溫度與基體金屬溫度的差值,使膨脹數(shù)值接近,從而減少內(nèi)應(yīng)力。若焊件整體預(yù)熱有困難,可采用局部預(yù)熱,即在焊縫及其兩側(cè)不少于80 mm 處進(jìn)行加熱,因?yàn)榧訜崽瓡?huì)造成新的溫差應(yīng)力。預(yù)熱時(shí)溫升不要太快,要均勻,并要求整條焊縫各部位溫度應(yīng)基本一致。緩冷時(shí)將焊接后的工件加熱到600 ℃,放在退火爐內(nèi),讓它慢慢地冷卻下來(lái)。
1.5 錘擊法
當(dāng)焊修較長(zhǎng)的裂縫和堆焊層,焊縫金屬冷卻時(shí),由于焊縫收縮時(shí)受阻力而產(chǎn)生拉應(yīng)力,趁著焊縫和堆層在赤熱的狀態(tài)下,用錘輕敲焊縫區(qū)能使金屬展開(kāi),焊縫擴(kuò)展可減少焊縫的收縮,焊接應(yīng)力可減少1/ 2～1/ 4。錘打時(shí),焊修金屬溫度在800 ℃時(shí)效果最好。若溫度降低,敲打力量也要隨之減少。進(jìn)行錘擊時(shí),溫度應(yīng)在300 ℃以下或400 ℃以上,避免在300～400 ℃之間進(jìn)行,因?yàn)榇藭r(shí)金屬材料正處于藍(lán)脆階段,
錘擊焊縫容易造成斷裂。多層焊時(shí),第一層和最后一層焊縫不用錘擊,其余每層都要錘擊。第一層不錘擊是為了避免產(chǎn)生根部裂紋,最后一層焊縫要焊接得較薄,以便消除由于錘擊而引起的冷作硬化。
2 消除焊接殘余應(yīng)力的措施
2.1 焊件整體高溫回火
將整個(gè)焊件放在加熱爐內(nèi)加熱到一定的溫度,然后保溫一段時(shí)間再冷卻,同種材料回火溫度越高,時(shí)間越少,焊接應(yīng)力消除越徹底。這種方法可將焊件內(nèi)80 %～90 %的焊接殘余應(yīng)力消除掉。保溫時(shí)間通常按每毫米1～2 min ,一般不低于30 min ,不高于3 h。
2.2 局部高溫回火
只對(duì)焊縫及附近區(qū)域進(jìn)行加熱以消除焊接殘余應(yīng)力。此方法通常用于焊接管道接頭及長(zhǎng)構(gòu)件的對(duì)接接頭等。
2.3 機(jī)械拉伸法
對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載,使焊接壓縮塑性變形區(qū)得以拉伸,可減少由焊接引起的局部壓縮塑性變形量,使焊接應(yīng)力得以降低。
2.4 溫差拉伸法
用焊修件局部加熱的溫差來(lái)拉伸焊縫區(qū),兩側(cè)溫度高,焊接區(qū)溫度低,兩側(cè)受熱膨脹金屬對(duì)溫度較低的區(qū)域進(jìn)行拉伸,可消除部分應(yīng)力。
3 結(jié)束語(yǔ)
礦山機(jī)械零件種類(lèi)較多,所受載荷和工件條件各不相同,對(duì)各類(lèi)零件機(jī)械性能要求也不同。在焊修前,
必須對(duì)該零件的材料、工作條件、機(jī)械性能、熱處理等方面有明確的了解,正確安排焊接工藝,采取有利措施,以獲得最好焊接效果,達(dá)到整個(gè)焊件的焊接質(zhì)量要求。減少焊接應(yīng)力和焊接變形的方法
（1）采用適當(dāng)?shù)暮附映绦颍绶侄魏�、分層焊�?font class="jammer">- W' A! W* r! o
（2）盡可能采用對(duì)稱(chēng)焊縫，使其變形相反而抵消；
（3）施焊前使結(jié)構(gòu)有一個(gè)和焊接變形相反的預(yù)變形；
（4）對(duì)于小構(gòu)件焊前預(yù)熱、焊后回火，然后慢慢冷卻，以消除焊接應(yīng)力。
合理的焊縫設(shè)計(jì)
（1）避免焊縫集中、三向交叉焊縫；
（2）焊縫尺寸不宜太大；
（3）焊縫盡可能對(duì)稱(chēng)布置，連接過(guò)渡平滑，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象；
（4）避免仰焊。
焊接變形的產(chǎn)生和防止
手工電弧焊接過(guò)程中的變形成因及對(duì)策
在工業(yè)生產(chǎn)中，焊接作業(yè)特別是手工電弧焊作業(yè)作為制造、修理的一種重要的工藝方法得到越來(lái)越廣泛的運(yùn)用。同時(shí)，由于手工電弧焊自身的焊接特點(diǎn)必然引起其焊接變形較大，如不對(duì)其變形的原因進(jìn)行分析并針對(duì)其成因提出有效的對(duì)策，必將給生產(chǎn)帶來(lái)極大的危害。
一、手工電弧焊接過(guò)程中的變形成因
我們知道，手工電弧焊接過(guò)程中的焊接電弧由在兩個(gè)電極之間的氣體介質(zhì)中產(chǎn)生持久的放電現(xiàn)象所產(chǎn)生的。電弧的產(chǎn)生是先將兩電極相互接觸而形成短路，由于接觸電阻和短路電流產(chǎn)生電流熱效應(yīng)的
結(jié)果，使兩電極間的接觸點(diǎn)達(dá)到白熱狀態(tài)，然后將兩電極拉開(kāi)，兩電極間的空氣間隙強(qiáng)烈地受熱，空氣熱作用后形成電離化；與此同時(shí)，陰極上有高速度的電子飛出，撞擊空氣中的分子和原子，將其中的電子撞擊出來(lái)，產(chǎn)生了離子和自由電子。在電場(chǎng)的作用下，陽(yáng)離子向陰極碰撞；陰離子和自由電向陽(yáng)極碰撞。這樣碰撞的結(jié)果，在兩電極間產(chǎn)生了高熱，并且放射強(qiáng)光。電弧是由陰極區(qū)（位于陰極）、弧柱（其長(zhǎng)度差不多等于電弧長(zhǎng)度）和陽(yáng)極區(qū)（位于陽(yáng)極）三部分所組成。陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)的溫度，主要取決于電極的材料。一般地，隨電極材料而異，陰極區(qū)的溫度大約為2400K—3500K，而陽(yáng)極區(qū)大約為2600K—4200K，中間弧柱部分的溫度最高，約為5000K—8000K。焊接接頭包括焊縫和熱影響區(qū)兩部分金屬。焊縫金屬是由熔池中的液態(tài)金屬迅速冷卻、凝固結(jié)晶而成，其中心點(diǎn)溫度可達(dá)2500℃以上。靠近焊縫的基本金屬在電弧的高溫作用下，內(nèi)部組織發(fā)生變化，這一區(qū)域稱(chēng)為熱影響區(qū)。焊縫處的溫度很高，而稍稍向外則溫度迅速下降，熱影響區(qū)主要由不完全熔化區(qū)、過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)、不完全正火區(qū)、再結(jié)晶區(qū)和藍(lán)脆區(qū)等段組成，熱影響區(qū)的寬度在8—30 mm范圍內(nèi)，其溫度從底到高大約在500 ℃--1500℃之間。金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部由于焊接時(shí)不均勻的加熱和冷卻產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力叫焊接應(yīng)力。由于焊接應(yīng)力造成的變形叫焊接變形。
在焊接過(guò)程中，不均勻的加熱，使得焊縫及其附近的溫度很高，而遠(yuǎn)處大部分金屬不受熱，其溫度還是室內(nèi)溫度。這樣，不受熱的冷金屬部分便阻礙了焊縫及近縫區(qū)金屬的膨脹和收縮；因而，冷卻后，焊縫就產(chǎn)生了不同程度的收縮和內(nèi)應(yīng)力（縱向和橫向），就造成了焊接結(jié)構(gòu)的各種變形。金屬內(nèi)部發(fā)生晶粒組織的轉(zhuǎn)變所引起的體積變化也可能引起焊件的變形。這是
產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的根本原因。
二、焊件的殘余變形和應(yīng)力的危害性
在焊接過(guò)程中焊件將發(fā)生變形，隨著變形的產(chǎn)生，焊件內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)也發(fā)生了變化，而焊完并冷卻后所留下的變形和應(yīng)力不是暫時(shí)的而是殘余的。通常焊件的殘余變形和應(yīng)力是同時(shí)存在的，但在一般焊接結(jié)構(gòu)中殘余變形的危害性比殘余應(yīng)力大得多，它使焊件或部件的尺寸改變而無(wú)法組裝，使整個(gè)構(gòu)件喪失穩(wěn)定而不能承受載荷，使產(chǎn)品質(zhì)量大大下降，而校正卻要消耗大量的精力和物力，有時(shí)導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。同時(shí)焊接裂縫的產(chǎn)生往往也和焊接殘余變形和應(yīng)力有著密切的關(guān)系。有的金屬由于焊后產(chǎn)生了殘余應(yīng)力而使的使用性能大為下降，從而對(duì)這類(lèi)金屬的焊接件生產(chǎn)造成工藝上的大量困難。因此，在制造焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，必須充分了解焊接時(shí)內(nèi)應(yīng)力發(fā)生的機(jī)理和焊后決定工件變形的基本規(guī)律，以控制和減少它的危害性。
三、影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素及變形的種類(lèi)
（一）、影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素有：
1.
焊縫在結(jié)構(gòu)中的位置；
2.
結(jié)構(gòu)剛性的大小；
3.
裝配和焊接順序；
4.
焊接規(guī)范的選擇。
（二）、焊接變形的種類(lèi)有：
1.
縱向收縮和橫向收縮；
在焊縫長(zhǎng)度方向上的收縮稱(chēng)縱向收縮，而在垂直于焊縫縱向的收縮稱(chēng)橫向收縮。由于這種收
縮，便使焊件發(fā)生了變形。
2.
角變形；
3.
彎曲變形；
4.
波浪變形；
5.
扭曲變形。
（三）、從焊接工藝上分析，影響焊縫收縮量的因
素有：
用手工電弧焊焊接長(zhǎng)焊縫時(shí)，一般采用焊前沿焊縫進(jìn)行點(diǎn)固焊。這不僅有利于減小焊接變形，
也有利于減小焊接內(nèi)應(yīng)力。
備料情況和裝配質(zhì)量對(duì)焊接變形也會(huì)產(chǎn)生影響。
焊接工藝中影響焊縫收縮量的因素有：
1.
線(xiàn)膨脹系數(shù)大的金屬材料，其變形比線(xiàn)膨脹系數(shù)小的金屬材料大；
2.
焊縫的縱向收縮量隨著焊縫長(zhǎng)度的增加而增加；
3.
角焊縫的橫向收縮比對(duì)接焊縫的橫向收縮��；
4.
間斷焊縫比連續(xù)焊縫的收縮量��；
5.
多層焊時(shí)，第一層引起的收縮量最大，以后各層逐漸減��；
6. 在夾具固定條件下的焊接收縮量比沒(méi)有夾具固定的焊接
收縮量小，約減少40%--70%；
7.
焊腳等于平板厚度的丁字接頭，角變形量較大。
四、防止焊接變形的方法
通過(guò)以上的分析，我們基本了解焊接變形的原因及變形的種類(lèi)，針對(duì)焊接變形的原因和種類(lèi)從焊接工藝上進(jìn)行改進(jìn)，可以有效防止和減少焊接變形所帶來(lái)的危害。下面，我們主要介紹幾種常見(jiàn)的防止焊接變形的方法。
1. 反變形法
在焊前進(jìn)行裝配時(shí)，預(yù)置反方向的變形量為抵消（補(bǔ)償）焊接變形，這種方法叫做反變形法。圖1 所示為8—12mm 厚的鋼板V形坡口單面對(duì)接焊時(shí)，采用反變形法以后，基本消除了角變形。
2.
利用裝配和焊接順序來(lái)控制變形；
采用合理的裝配和焊接程序來(lái)減少變形，這在生產(chǎn)實(shí)踐中是行之有效的好辦法，如圖2（a）所示為一箱形梁，由于焊縫不對(duì)稱(chēng)，焊后產(chǎn)生下?lián)蠌澢冃�。解決辦法是由兩人或四人，對(duì)稱(chēng)地先焊只有兩條焊縫的一側(cè)，如圖2（b）中焊縫1 和1 然后就造成了如圖2 (c)的上拱變形。由于這兩條焊縫焊后增加了箱形梁的剛性。當(dāng)焊接另一側(cè)的兩條焊縫時(shí)，如先焊圖2(d)中焊縫2 和2，最后再焊圖2(e)中焊縫3 和3，就基本上防止了變形。有許多結(jié)構(gòu)截面形狀對(duì)稱(chēng)，焊縫布置也對(duì)稱(chēng)，但焊后卻發(fā)生彎曲或扭曲的變形，這主要是裝配和焊接順序不合理引起的，也就是各條焊縫引起的變形，未能相互抵消，于是發(fā)生變形。焊接順序是影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素之一，安排焊接順序時(shí)應(yīng)注意下列原則：
1）盡量采用對(duì)稱(chēng)焊接。對(duì)于具有對(duì)稱(chēng)焊縫的工作，最好由成對(duì)的焊工對(duì)稱(chēng)進(jìn)行焊接。這樣可以使由各焊縫所引起的變形相互抵消一部分。
2）對(duì)某些焊縫布置不對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，應(yīng)先焊焊縫少的一側(cè)。
3）依據(jù)不同焊接順序的特點(diǎn)，以焊接程序控制焊接變形量。常見(jiàn)的焊接順序有五種，即：
a.分段退焊法
這種方法適用于各種空間的位置的焊接，除立焊外，鋼材較厚、焊縫較長(zhǎng)時(shí)都可以設(shè)擋弧板，多人同時(shí)焊接。其優(yōu)點(diǎn)是可以減小熱影響區(qū)，避免變形。每段長(zhǎng)應(yīng)為0.5—1m。見(jiàn)圖2(f)
b.分中分段退焊法
這種方法適用于中板或較薄的鋼板的焊接，它的優(yōu)點(diǎn)是中間散熱快，縮小焊縫兩端的溫度差。焊縫熱影響區(qū)的溫度不至于急劇增高，減少或避免熱膨脹變形。這種方法特別適用于平焊和仰焊，橫焊一般不采用，立焊根本不能用。見(jiàn)圖2(g)
c.跳焊法
這種方法除立焊外，平焊、橫焊、仰焊三種方法都適用，多用在6—12mm 厚鋼板的長(zhǎng)焊縫和鑄鐵、不銹鋼、銅的焊接上，可以分散焊縫熱量，避免或減小變形。鋼材每段焊縫長(zhǎng)度在200—400mm之間；鑄鐵焊件按鑄鐵焊接規(guī)范處理；不銹鋼和銅由于導(dǎo)熱快，每段長(zhǎng)不宜超過(guò)200mm (薄板應(yīng)短些)。見(jiàn)圖 2(h)
d.交替焊法
這種焊法和跳焊法基本相同，只是每段焊接距離拉長(zhǎng)，特別適用于薄板和長(zhǎng)焊縫。見(jiàn)圖2(i)
e.分中對(duì)稱(chēng)法
這種方法適用于焊縫較短的焊件，為了減小變形，由中心分兩端一次焊完。見(jiàn)圖2(j)
3.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。缺點(diǎn)是有些大件不易固定，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。這種方法適用于焊接厚度小于6
mm 及韌性較好的薄壁材料。如果與反變形法配合使用則效果更好。
對(duì)于形狀復(fù)雜，尺寸不大，又是成批生產(chǎn)的焊件，可設(shè)計(jì)一個(gè)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的專(zhuān)用焊接胎具，既可以防止變形，又能提高生產(chǎn)率。當(dāng)工件較大，數(shù)量又不多時(shí)，可在容易發(fā)生變形的部位臨時(shí)焊上一些支撐或拉桿，增加工件的剛性，也能有效的減少焊接變形。

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3. 散熱法
散熱法又稱(chēng)強(qiáng)迫冷卻法，即將焊接處的熱量迅速散走，使焊縫附近的金屬受熱面大大減少，達(dá)到減小焊接變形的目的。圖 3（a）為水浸法示意圖，常用于表面堆焊和焊補(bǔ)。圖3(b)是散熱法示意圖，用紫銅作散熱墊，有的還鉆孔通冷卻水，這些墊板越靠近焊縫效果越好。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。
4. 錘擊焊縫法
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，一般采用0.5Kg—1.0Kg的手錘，其端部為圓角（R=3—5mm）。底層和表面焊道一般不錘擊，以免金屬表面冷作硬化。其余各道焊完一道后立刻錘擊，直至將焊縫表面打出均勻致密的點(diǎn)為止。
五、常見(jiàn)復(fù)雜構(gòu)件防止變形的方法
1. 鋼架的焊接
鋼架焊接的關(guān)鍵問(wèn)題，是如何保證強(qiáng)度和防止變形。從工藝上保證強(qiáng)度能適應(yīng)載荷的變化，其變形量不致影響安裝和使用的要求，因此：
1）焊縫的高度和長(zhǎng)度，要按圖施工。裝配誤差要小，坡口要清理干凈。
2）鋼架的焊接一般先焊腹桿與節(jié)點(diǎn)板之間的焊縫，然后再焊上、下弦與節(jié)點(diǎn)板之間的焊縫，焊接順序不應(yīng)集中，而應(yīng)在節(jié)點(diǎn)間間隔跳開(kāi)焊接（見(jiàn)圖4(a)）。
3）節(jié)點(diǎn)板與桿件之間的橫向焊縫不焊（見(jiàn)圖4(b)），各種焊縫應(yīng)盡量采用船形焊。
2. 鍋爐集箱管接頭的焊接
鍋爐集箱管接頭焊縫集中，又偏于一側(cè)，焊后產(chǎn)生較大的彎曲變形，見(jiàn)圖5
在圓筒上側(cè)有兩排共26個(gè)管接頭。采用跳焊的焊接順序可解決變形問(wèn)題。先由一名焊工在第一根集箱上相隔2—3 個(gè)管接頭跳焊一個(gè)接頭。跳焊完第一根后接著又到第二根進(jìn)行同樣的跳焊。依次把6—10 根集箱跳焊過(guò)一遍后，再反過(guò)來(lái)從第一根開(kāi)始跳焊第二遍，這時(shí)早已焊好的管接頭溫度已降低到40℃--50℃以下。這樣反復(fù)跳焊幾遍直到全部管接頭焊完。焊后雖然尚有2—3mm彎曲變形，但已在
公差范圍內(nèi)，達(dá)到質(zhì)量要求。焊接應(yīng)力和焊接變形對(duì)構(gòu)件有哪些危害?焊接應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因，有以下三個(gè)方面：
（1）熱應(yīng)力。焊接過(guò)程對(duì)被焊工件來(lái)說(shuō)，是局部的不均勻加熱過(guò)程和不均勻冷卻過(guò)程。這種不均勻冷熱過(guò)程，會(huì)使工件中產(chǎn)生熱應(yīng)力。
（2）拘束應(yīng)力。由于構(gòu)件本身或外加的剛性拘束作用，使焊接時(shí)熱膨脹不暢，引起構(gòu)件產(chǎn)生拘束應(yīng)力。
（3）相變應(yīng)力：焊接時(shí)，接頭區(qū)域產(chǎn)生不均勻組織轉(zhuǎn)變而引起的應(yīng)力。
由廠(chǎng)焊接應(yīng)力的存在，使接頭區(qū)產(chǎn)生不均勻的塑性變形，稱(chēng)為焊接變形。殘留在焊接構(gòu)件中的焊接應(yīng)力（又稱(chēng)為焊接殘余應(yīng)力）會(huì)降低接頭區(qū)實(shí)際承受載荷的能力。特別是當(dāng)構(gòu)件承受動(dòng)載疲勞載荷時(shí)，有可能發(fā)生低應(yīng)力破壞。對(duì)于厚壁結(jié)構(gòu)的焊接接頭、立體交叉焊縫的焊接區(qū)或存在焊接缺陷的區(qū)域，由于焊接殘余應(yīng)力，使材料的塑性變形能力下降，會(huì)造成構(gòu)件發(fā)生脆性破裂。焊接殘余應(yīng)力在一定條件下會(huì)引起裂紋，有時(shí)導(dǎo)致產(chǎn)品返修或報(bào)廢。如果在工作溫度下材料的塑性較差，由于焊接拉伸應(yīng)力的存在，會(huì)降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，縮短使用壽命。通常，焊件的焊接殘余變形和殘余應(yīng)力是同時(shí)存在的，有時(shí)焊接殘余變形的危害比殘余應(yīng)力的危害還要大。焊接殘余變形使焊件或部件的尺寸改變，降低裝配質(zhì)量，甚至使產(chǎn)品直接報(bào)廢。矯正變形是一件費(fèi)時(shí)的事，會(huì)增加制造成本，降低焊接接頭的性能。另外，由于角變形、彎曲變形和扭曲變形使構(gòu)件承受載荷時(shí)產(chǎn)生附加應(yīng)力，因而會(huì)降低構(gòu)件的實(shí)際承載能力，導(dǎo)致發(fā)生斷事故。
鋼結(jié)構(gòu)手工電弧焊焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)
范圍
本工藝標(biāo)準(zhǔn)適用于一般工業(yè)與民用建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝手工電弧焊焊接工程。
施工準(zhǔn)備
2.1
材料及主要機(jī)具：
2.1.1
電焊條：其型號(hào)按設(shè)計(jì)要求選用，必須有質(zhì)量證明書(shū)。按要求施焊前經(jīng)過(guò)烘焙。嚴(yán)禁使用藥皮脫落、焊芯生銹的焊條。設(shè)計(jì)無(wú)規(guī)定時(shí)，焊接Q235 鋼時(shí)宜選用E43 系列碳鋼結(jié)構(gòu)焊條；焊接16Mn 鋼時(shí)宜選用 E50系列低合金結(jié)構(gòu)鋼焊條；焊接重要結(jié)構(gòu)時(shí)宜采用低氫型焊條（堿性焊條）。按說(shuō)明書(shū)的要求烘焙后，放入保溫桶內(nèi)，隨用隨取。酸性焊條與堿性焊條
不準(zhǔn)混雜使用。
2.1.2
引弧板：用坡口連接時(shí)需用弧板，弧板材質(zhì)和坡口型式應(yīng)與焊件相同。
2.1.3
主要機(jī)具：電焊機(jī)（交、直流）、焊把線(xiàn)、焊鉗、面罩、小錘、焊條烘箱、焊條保溫桶、鋼絲刷、石棉布、測(cè)溫計(jì)等。
2.2 作業(yè)條件
2.2.1
熟悉圖紙，做焊接工藝技術(shù)交底。
2.2.2
施焊前應(yīng)檢查焊工合格證有效期限，應(yīng)證明焊工所能承擔(dān)的焊接工作。
2.2.3
現(xiàn)場(chǎng)供電應(yīng)符合焊接用電要求。
2.2.4 環(huán)境溫度低于0℃
，對(duì)預(yù)熱，后熱溫度應(yīng)根據(jù)工藝試驗(yàn)確定。
操作工藝
3.1 工藝流程
作業(yè)準(zhǔn)備 → 電弧焊接 (
平焊、立焊、橫焊、仰焊) → 焊縫檢查
3.2
鋼結(jié)構(gòu)電弧焊接：
3.2.1 平焊
3.2.1.1
選擇合適的焊接工藝，焊條直徑，焊接電流，焊接速度，焊接電弧長(zhǎng)度等，通過(guò)焊接工藝試驗(yàn)驗(yàn)證。
3.2.1.2
清理焊口：焊前檢查坡口、組裝間隙是否符合要求，定位焊是否牢固，焊縫周?chē)坏糜杏臀�、銹物。
3.2.1.3
烘焙焊條應(yīng)符合規(guī)定的溫度與時(shí)間，從烘箱中取出的焊條，放在焊條保溫桶內(nèi)，隨用隨取。
3.2.1.4
焊接電流：根據(jù)焊件厚度、焊接層次、焊條型號(hào)、直徑、焊工熟練程度等因素，選擇適宜的焊接電流。
3.2.1.5
引�。航呛缚p起落弧點(diǎn)應(yīng)在焊縫端部，宜大于10mm，不應(yīng)隨便打弧，打火引弧后應(yīng)立即將焊條從焊縫區(qū)拉開(kāi)，使焊條與構(gòu)件間保持2～4mm間隙產(chǎn)生電弧。對(duì)接焊縫及對(duì)接和角接組合焊縫，在焊縫兩端設(shè)引弧板和引出板，必須在引弧板上引弧后再焊到焊縫區(qū)，中途接頭則應(yīng)在焊縫接頭前方15～20mm
處打火引弧，將焊件預(yù)熱后再將焊條退回到焊縫起始處，把熔池填滿(mǎn)到要求的厚度后，方可向前施焊。
3.2.1.6
焊接速度：要求等速焊接，保證焊縫厚度、寬度均勻一致，從面罩內(nèi)看熔池中鐵水
與熔渣保持等距離（2～3mm）為宜。
3.2.1.7
焊接電弧長(zhǎng)度：根據(jù)焊條型號(hào)不同而確定，一般要求電弧長(zhǎng)度穩(wěn)定不變，酸性焊條一般為3～4mm，堿性焊條一般為2～3mm為宜。
3.2.1.8
焊接角度：根據(jù)兩焊件的厚度確定，焊接角度有兩個(gè)萬(wàn)面，一是焊條與焊接前進(jìn)方向的夾角為60～75°
；二是焊條與焊接左右?jiàn)A角有兩種情況，當(dāng)焊件厚度相等時(shí)，焊條與焊件夾角均為 45°；當(dāng)焊件厚度不等時(shí)，焊條與較厚焊件一側(cè)夾角應(yīng)大于焊條與較薄焊件一側(cè)夾角。
3.2.1.9
收弧：每條焊縫焊到末尾，應(yīng)將弧坑填滿(mǎn)后，往焊接方向相反的方向帶弧，使弧坑甩在焊道里邊，以防弧坑咬肉。焊接完畢，應(yīng)采用氣割切除弧板，并修磨平整，不許用錘擊落。
3.2.1.10
清渣：整條焊縫焊完后清除熔渣，經(jīng)焊工自檢（包括外觀(guān)及焊縫尺寸等）確無(wú)問(wèn)題后，方可轉(zhuǎn)移地點(diǎn)繼續(xù)焊接。
3.2.2
立焊：基本操作工藝過(guò)程與平焊相同，但應(yīng)注意下述問(wèn)題：
3.2.2.1
在相同條件下，焊接電源比平焊電流小10%～15%。
3.2.2.2
采用短弧焊接，弧長(zhǎng)一般為2～3mm。
3.2.2.3
焊條角度根據(jù)焊件厚度確定。兩焊件厚度相等，焊條與焊條左右方向夾角均為45°；兩焊件厚度不等時(shí)，焊條與較厚焊件一側(cè)的夾角應(yīng)大于較薄一側(cè)的夾角。焊條應(yīng)與垂直面形成60°～80°角，使電弧略向上，吹向熔池中心。
3.2.2.4
收�。寒�(dāng)焊到末尾，采用排弧法將弧坑填滿(mǎn)，把電弧移至熔池中央�；�。嚴(yán)禁使弧坑甩在一邊。為了防止咬肉，應(yīng)壓低電弧變換焊條角度，使焊條與焊件垂直或由弧稍向下吹。
3.2.3
橫焊：基本與平焊相同，焊接電流比同條件平焊的電流小10%～15%，電弧長(zhǎng)2～4mm。焊條的角度，橫焊時(shí)焊條應(yīng)向下傾斜，其角度為70°～80°，防止鐵水下墜。根據(jù)兩焊件的厚度不同，可適當(dāng)調(diào)整焊
條角度，焊條與焊接前進(jìn)方向?yàn)?0°～90°。
3.2.4
仰焊：基本與立焊、橫焊相同，其焊條與焊件的夾角和焊件厚度有關(guān)，焊條與焊接方向成70°～80角，宜用小電流、短弧焊接。

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3.3
冬期低溫焊接：
3.3.1 在環(huán)境溫度低于0℃
條件下進(jìn)行電弧焊時(shí)，除遵守常溫焊接的有關(guān)規(guī)定外，應(yīng)調(diào)整焊接工藝參數(shù)，使焊縫和熱影響區(qū)緩慢冷卻。風(fēng)力超過(guò)4級(jí)，應(yīng)采取擋風(fēng)措施；焊后未冷卻的接頭，應(yīng)避免碰到冰雪。
3.3.2
鋼結(jié)構(gòu)為防止焊接裂紋，應(yīng)預(yù)熱、預(yù)熱以控制層間溫度。當(dāng)工作地點(diǎn)溫度在0℃以下
時(shí)，應(yīng)進(jìn)行工藝試驗(yàn)，以確定
適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，后熱溫度。
質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
4.1 保證項(xiàng)目
4.1.1
焊接材料應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，應(yīng)檢查質(zhì)量證明書(shū)及烘焙記錄。
4.1.2
焊工必須經(jīng)考試合格，檢查焊工相應(yīng)施焊條件的合格證及考核日期。
4.1.3 Ⅰ、Ⅱ
級(jí)焊縫必須經(jīng)探傷檢驗(yàn)，并應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求和施工及驗(yàn)收規(guī)范的規(guī)定，檢查焊縫探傷報(bào)告。
4.1.4 焊縫表面Ⅰ、Ⅱ
級(jí)焊縫不得有裂紋、焊瘤、燒穿、弧坑等缺陷。Ⅱ級(jí)焊縫不得有表面氣孔、夾渣、弧坑、裂紋、電弧擦傷等缺陷，且Ⅰ級(jí)焊縫不得有咬邊、未焊滿(mǎn)等缺陷。
4.2 基本項(xiàng)目
4.2.1
焊縫外觀(guān)：焊縫外形均勻，焊道與焊道、焊道與基本金屬之間過(guò)渡平滑，焊渣和飛濺物清除干凈。
4.2.2
表面氣孔：Ⅰ、Ⅱ級(jí)焊縫不允許；Ⅲ級(jí)焊縫每50mm 長(zhǎng)度焊縫內(nèi)允許直徑≤0.4t；且≤3mm 氣孔2個(gè)；氣孔間距≤6倍孔徑。
4.2.3
咬邊：
Ⅰ級(jí)焊縫不允許。
Ⅱ級(jí)焊縫：咬邊深度≤0.05t，且≤0.5mm，連續(xù)長(zhǎng)度≤100mm，且兩側(cè)咬邊總長(zhǎng)≤10%焊縫長(zhǎng)度。
Ⅲ級(jí)焊縫：咬邊深度≤0.lt，且≤lmm。注；t為連接處較薄的板厚。
4.3
允許偏差項(xiàng)目，見(jiàn)表5-1。
表5-1項(xiàng) 允許偏差 (mm) 檢驗(yàn)次 Ⅰ級(jí) Ⅱ級(jí) Ⅲ級(jí) 方法
焊縫余高 b<20 0.5～2 0.5～2.5 0.5～3.5
1 對(duì)接焊縫 (mm) b≥20 0.5～3 0.5～3.5 0～3.5 用<0.1t 且 <0.1t 且 <0.1t 且焊不大于2.0 不大于2.0 不大于3.0焊角尺寸 hf≤6 0～+1.5 縫
2 角焊縫 (mm) hf>6 0～+3 量
焊縫余高 hf≤6 0～+1.5 規(guī)(mm) hf>6 0～+3 檢
3 組合焊縫 T
形接頭，十字接頭、角接頭 >t/4 查焊角尺寸起重量≥50t，中級(jí)工作制吊車(chē)梁T 形接頭 t/2 且≯10
注：b為焊縫寬度，t為連接處較薄的板厚，hf為焊角尺寸。
成品保護(hù)
5.1
焊后不準(zhǔn)撞砸接頭，不準(zhǔn)往剛焊完的鋼材上澆水。低溫下應(yīng)采取緩冷措施。
5.2
不準(zhǔn)隨意在焊縫外母材上引弧。
5.3
各種構(gòu)件校正好之后方可施焊，并不得隨意移動(dòng)墊鐵和卡具，以防造成構(gòu)件尺寸偏差。隱蔽部位的焊縫必須辦理完隱蔽驗(yàn)收手續(xù)后，方可進(jìn)行下道隱蔽工序。
5.4
低溫焊接不準(zhǔn)立即清渣，應(yīng)等焊縫降溫后進(jìn)行。
應(yīng)注意的質(zhì)量問(wèn)題
6.1
尺寸超出允許偏差：對(duì)
焊縫長(zhǎng)寬、寬度、厚度不足，中心線(xiàn)偏移，彎折等偏差，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接部位的相對(duì)位置尺寸，合格后方準(zhǔn)焊接，焊接時(shí)精心操作。
6.2
焊縫裂紋：為防止裂紋產(chǎn)生，應(yīng)選擇適合的焊接工藝參數(shù)和施焊程序，避免用大電流，不要突然熄火，焊縫接頭應(yīng)搭10～15mm，焊接中木允許搬動(dòng)、敲擊焊件。
6.3
表面氣孔：焊條按規(guī)定的溫度和時(shí)間進(jìn)行烘焙，焊接區(qū)域必須清理干凈，焊接過(guò)程中選擇適當(dāng)?shù)暮附与娏鳎档秃附铀俣�，使熔池中的氣體完全逸出。
6.4
焊縫夾渣：多層施焊應(yīng)層層將焊渣清除干凈，操作中應(yīng)運(yùn)條正確，弧長(zhǎng)適當(dāng)。注意熔渣的流動(dòng)方向，采用堿性焊條時(shí)，上須使熔渣留在熔渣后面。
質(zhì)量記錄
本工藝標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具備以下質(zhì)量記錄：
7.1
焊接材料質(zhì)量證明書(shū)。
7.2
焊工合格證及編號(hào)。
7.3
焊接工藝試驗(yàn)報(bào)告。
7.4
焊接質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告、探傷報(bào)告。
7.5
設(shè)計(jì)變更、洽商記錄。
7.6
隱蔽工程驗(yàn)收記錄。
7.7
其它技術(shù)文件。

明月千里寄相思 · 發(fā)表于 2008-12-5 22:20:25

不錯(cuò),學(xué)習(xí)了

技術(shù)監(jiān)督 · 發(fā)表于 2008-12-6 09:38:28

內(nèi)容較全，實(shí)用。參考使用。

shinshing · 發(fā)表于 2009-5-21 20:45:56

學(xué)習(xí)學(xué)習(xí),是看到精僻內(nèi)容,不錯(cuò)

zlw789 · 發(fā)表于 2012-1-29 21:36:03

好真的不錯(cuò)

feiliong · 發(fā)表于 2012-1-30 07:34:29

很厚道,不用花錢(qián)就可以看到,內(nèi)容較全，實(shí)用,謝謝。

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