摘 要:通過對焊件在焊接中產(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。
( _9 C$ |4 s7 y: o關(guān)鍵詞:焊縫; 焊接應(yīng)力; 溫度
8 k4 L: n" P1 [4 y7 ?" x, Z0 前 言/ X$ S4 f9 o+ N4 r
在對礦山設(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
1 f1 L# l# q e接質(zhì)量。% `: E' W2 k8 w$ ~
1 控制焊接應(yīng)力的方法; e2 \9 ~: \% [" u0 y; \
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。2 U, o) X* V0 z
1.2 合理的焊接順序法
8 j" g; M% T: @! Z9 ]* r在焊接過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)開的短焊縫,后焊直通長焊縫;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)件上分布著對接焊縫和角焊縫兩種焊縫形式,由于對接焊縫的收縮量大于角焊縫的收縮量,所以應(yīng)先焊對接焊縫。
/ ~% j$ {* v8 D7 W/ B1.3 降低局部剛性法
3 X' V& x/ K" h4 g/ [" G5 m' O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。
8 q9 z) e' Z9 B1.4 預(yù)熱和緩冷方法) X2 D R, G$ p; `& H% {, E* R
焊件本體上溫差越大,焊接應(yīng)力也越大。焊前對焊件進(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。7 H# H9 s& ^9 x
1.5 錘擊法9 J1 Z2 C* \ O) U8 O
當(dāng)焊修較長的裂縫和堆焊層,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,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,
8 T' w0 b" V" O F# U/ D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。5 C) v+ g5 w5 Y+ v
2 消除焊接殘余應(yīng)力的措施
- I6 e; G1 E i2.1 焊件整體高溫回火
- n5 T9 q! c( y# N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。
( k; j1 h% j8 Z) F" n7 O9 H7 K8 K4 r/ l2.2 局部高溫回火
$ T6 r) @# V1 ^( O只對焊縫及附近區(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構(gòu)件的對接接頭等。
! E9 G" m) o& a/ p( k2.3 機(jī)械拉伸法; A4 ~- g9 t7 x, s1 N |# m* }
對焊接結(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。& P* i" K1 _7 l0 \. D' S+ G1 `8 B
2.4 溫差拉伸法
7 g8 [: G* ^. }' a7 H用焊修件局部加熱的溫差來拉伸焊縫區(qū),兩側(cè)溫度高,焊接區(qū)溫度低,兩側(cè)受熱膨脹金屬對溫度較低的區(qū)域進(jìn)行拉伸,可消除部分應(yīng)力。0 q$ J( p) F$ [* q% t' Y9 v
3 結(jié)束語
6 F! U1 F* H- z" Z4 c3 T1 w礦山機(jī)械零件種類較多,所受載荷和工件條件各不相同,對各類零件機(jī)械性能要求也不同。在焊修前,
9 Q" p0 M) p- ?! Z% s3 j0 S必須對該零件的材料、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! z K( t) T" K
(1)采用適當(dāng)?shù)暮附映绦,如分段焊、分層焊?font class="jammer">1 E* V* t2 g+ X# D6 ^
(2)盡可能采用對稱焊縫,使其變形相反而抵消;
' b* X i; v6 u: D( Y7 b(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;
8 D& I6 K* Q4 R+ c" D0 ^- d; K(4)對于小構(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。
! [0 m% {! p" U$ N$ n7 Y: o6 c合理的焊縫設(shè)計(jì)6 F, q" \- W K5 X
(1)避免焊縫集中、三向交叉焊縫;% \0 H, }6 a9 C. x
(2)焊縫尺寸不宜太大;
0 {' n3 ~. q& Y) r% d(3)焊縫盡可能對稱布置,連接過渡平滑,避免應(yīng)力集中現(xiàn)象;
6 F5 U. D" R/ C$ k( }( m: }(4)避免仰焊。
5 q" u2 g! F# Y7 h$ x$ e焊接變形的產(chǎn)生和防止" G7 o7 X2 `4 R
手工電弧焊接過程中的變形成因及對策' c. Y: S1 {( Y" {. e: V# U' b
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,如不對其變形的原因進(jìn)行分析并針對其成因提出有效的對策,必將給生產(chǎn)帶來極大的危害。
% J @$ W! X4 @* S. k一、 手工電弧焊接過程中的變形成因/ P. t' q$ z) s8 }. b7 p, D. Z
我們知道,手工電弧焊接過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
1 G) H& S" [7 S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,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,產(chǎn)生了離子和自由電子。在電場的作用下,陽離子向陰極碰撞;陰離子和自由電向陽極碰撞。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(其長度差不多等于電弧長度)和陽極區(qū)(位于陽極)三部分所組成。陰極區(qū)和陽極區(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?拷缚p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。
7 L2 ^' W8 [. P* p 在焊接過程中,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# B9 i9 A1 q x7 C$ H
產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的根本原因。' W' D) {/ y) Q' J1 p
二、 焊件的殘余變形和應(yīng)力的危害性
5 e& S; B& [- a9 d4 k1 l在焊接過程中焊件將發(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,從而對這類金屬的焊接件生產(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。
% \" H& w% o6 ^三、 影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素及變形的種類
9 h$ f6 C, K, M3 M(一)、影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素有:% N, Y! X, y2 ?! U. H. d, I" k; T
1.
1 q& i' I/ h" j5 H焊縫在結(jié)構(gòu)中的位置;
$ X+ w5 K6 `' s1 j" ]! f2.* c, a# ]4 |% r5 a- X, t: h: k
結(jié)構(gòu)剛性的大;* N6 z0 s. G; Y6 v4 D8 z
3. }+ s9 p: ^7 P% T7 B/ O c& O/ C7 k
裝配和焊接順序;8 S0 K0 ~5 {. g( N5 N
4.
: a( Q; ~. H# _2 b0 K1 Q焊接規(guī)范的選擇。0 S+ _& ~! E. H
(二)、焊接變形的種類有:
$ p, A! w9 a" S# b8 Z' Q7 J1.
" [2 i& l# @4 l( m/ F( R縱向收縮和橫向收縮;
4 f5 W. v. X# t' Z5 C在焊縫長度方向上的收縮稱縱向收縮,而在垂直于焊縫縱向的收縮稱橫向收縮。由于這種收
$ N% i" R- {! t' }8 O" b4 {. e) h縮,便使焊件發(fā)生了變形。+ `9 i& L, m+ w/ ?0 W( _& m
2.% y4 S1 h0 F3 O) ?% A
角變形;7 z& T! j6 V9 A! F* S
3.# ?% M2 W5 E! e. G' X, L
彎曲變形;6 ^5 w% W3 ~% x, p4 G$ B
4.
& P7 [% k: w# [波浪變形;
+ y/ [! t3 a. L" A% K: q5.
5 S0 O X7 z/ a H/ U扭曲變形。
0 n5 |) z) L F" ^$ Y(三)、從焊接工藝上分析,影響焊縫收縮量的因
7 ^. x! Q$ A; @( T3 F素有:0 P6 ^! C4 y R+ r% B
用手工電弧焊焊接長焊縫時(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,+ y0 X" ^: l( u
也有利于減小焊接內(nèi)應(yīng)力。1 o$ ^9 e" x' h$ X% L9 X
備料情況和裝配質(zhì)量對焊接變形也會(huì)產(chǎn)生影響。* e" H A0 Y+ |" Q% C+ Z* t; l
焊接工藝中影響焊縫收縮量的因素有:
- P- o# X6 J. W: L, @; Q# ^* C+ e1.- n0 g, e7 M* O" Z2 I( H8 p$ H
線膨脹系數(shù)大的金屬材料,其變形比線膨脹系數(shù)小的金屬材料大;+ ~0 s3 c* y$ W) {- X' C( D4 d' d
2.
X3 n) A0 W8 S2 B; `& ^焊縫的縱向收縮量隨著焊縫長度的增加而增加;% b' ?7 o) o/ @$ n, b1 m6 X
3.) M U3 _' Q7 H
角焊縫的橫向收縮比對接焊縫的橫向收縮;' K. _# d) L/ U* R" c H& f0 ]
4.
% Z; m4 m) f( [ I0 y間斷焊縫比連續(xù)焊縫的收縮量小;
3 m$ I3 \- ]+ v9 u9 f- U5.
8 o+ @! s' V3 `* w多層焊時(shí),第一層引起的收縮量最大,以后各層逐漸減小;+ E$ J/ \; E1 s0 n* O3 h
6. 在夾具固定條件下的焊接收縮量比沒有夾具固定的焊接
0 G+ S, b+ _+ A9 L+ U+ |收縮量小,約減少40%--70%;
5 e' y; Y3 [4 v0 e! m+ D7.
2 i7 H; W& b& t. ^1 ?& d焊腳等于平板厚度的丁字接頭,角變形量較大。4 Z J& e) d: o
四、防止焊接變形的方法+ I) R) g! @5 C% |0 {3 G
通過以上的分析,我們基本了解焊接變形的原因及變形的種類,針對焊接變形的原因和種類從焊接工藝上進(jìn)行改進(jìn),可以有效防止和減少焊接變形所帶來的危害。下面,我們主要介紹幾種常見的防止焊接變形的方法。
+ J* @9 n$ _* f7 c1 x( b1. 反變形法8 N3 T8 }. d4 m' Z6 p
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形坡口單面對接焊時(shí),采用反變形法以后,基本消除了角變形。
% S! U2 ?, _0 f+ x2.6 }9 g- Q8 _3 z* z; y$ G( ^0 ] N
利用裝配和焊接順序來控制變形;: d5 K0 Z4 ?2 P+ h* N
采用合理的裝配和焊接程序來減少變形,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,由于焊縫不對稱,焊后產(chǎn)生下?lián)蠌澢冃。解決辦法是由兩人或四人,對稱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)截面形狀對稱,焊縫布置也對稱,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:
( G. N( w& A4 I* h4 [7 u1)盡量采用對稱焊接。對于具有對稱焊縫的工作,最好由成對的焊工對稱進(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。: J. U% `0 e/ Z9 i+ Y5 v2 N0 ~
2)對某些焊縫布置不對稱的結(jié)構(gòu),應(yīng)先焊焊縫少的一側(cè)。8 R/ u1 e/ t7 q' Y. Z
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。常見的焊接順序有五種,即:
1 }% e( ^- k5 ra.分段退焊法
5 k" J9 F5 b, P; K* |, B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。每段長應(yīng)為0.5—1m。見圖2(f)& ~& c* \: Q- w, M
b.分中分段退焊法4 G$ _6 C+ z# l9 C: E ^
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。見圖2(g). ~3 m5 s. c( J+ a, @) R, M/ ]
c.跳焊法% a! u( o! y1 ]6 d# e8 [
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,每段長不宜超過200mm (薄板應(yīng)短些)。見圖 2(h)
) |- a- x4 M% M$ {- r1 W, {d.交替焊法: }( g4 X# R1 } n* x9 A
這種焊法和跳焊法基本相同,只是每段焊接距離拉長,特別適用于薄板和長焊縫。見圖2(i)
7 _/ z7 F9 a& f' ue.分中對稱法
' }) B* o* \* R U& ]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。見圖2(j)
+ K+ }. k! g- C' A: g. E3.剛性固定法
, G1 j0 Y- u7 I4 e0 s* t剛性固定法減小變形很有效,且焊接時(shí)不必過分考慮焊接順序。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
/ Z2 Y* }' o5 T% zmm 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。; _- s! h* _" P& ]2 s8 e
對于形狀復(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。 |