摘 要:通過對(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。
% n6 }3 G( `, X關(guān)鍵詞:焊縫; 焊接應(yīng)力; 溫度
1 W+ l0 ^4 ~8 B1 M0 前 言3 h6 U! S c- {7 N B# i
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
) D9 P9 n( m3 j; C3 D0 J接質(zhì)量。1 n- M: E: z' ?) R) t
1 控制焊接應(yīng)力的方法+ D" b/ C% @8 O' B/ B7 H3 B" O
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。0 g+ @- |) j: U) J4 n% v
1.2 合理的焊接順序法* q: U/ H* l. m) Z) w, d) f+ C
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(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。 x% @) l' t8 j" ^ g
1.3 降低局部剛性法
1 b' [: X B+ H$ H" q+ X6 j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。
+ l1 O6 `+ \# }5 W' o; b1.4 預(yù)熱和緩冷方法/ m9 \/ a0 V; n* b+ H" W& Z5 ~7 b
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。
4 H( @4 V. G& j' `9 w: A4 B, x1.5 錘擊法
, Y2 C5 B# A: E( T% }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,
9 {% _2 x1 U$ t% n) o& r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。% e! J- A7 {' v2 g
2 消除焊接殘余應(yīng)力的措施# c; x* R+ s3 g/ @
2.1 焊件整體高溫回火& t' ~) B! z8 z- h
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。
0 J; ~9 C/ c, z) n- v* g1 [2.2 局部高溫回火
. \0 ^' d, H9 ^6 Q4 W: M& T, E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構(gòu)件的對(duì)接接頭等。! y, B& G# h, \1 }; I
2.3 機(jī)械拉伸法
9 _) o+ ]5 @2 S# E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。
" j. k6 H9 J5 }$ J+ @4 r5 x+ ^8 h2.4 溫差拉伸法
4 X5 Q' O' t$ e; o$ g8 O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(duì)溫度較低的區(qū)域進(jìn)行拉伸,可消除部分應(yīng)力。
+ A8 ]" D+ s& S( O a$ d0 t8 Y" O3 結(jié)束語
0 l6 @' S$ M: @2 n6 b b( Y, _4 `( T! u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(duì)各類零件機(jī)械性能要求也不同。在焊修前,) i0 u1 r0 Q! P7 I" x- A6 r+ m5 x
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' _ S8 y5 o* t0 H5 | \# g
(1)采用適當(dāng)?shù)暮附映绦,如分段焊、分層焊?font class="jammer">0 k4 U( E9 Q$ o3 i/ v
(2)盡可能采用對(duì)稱焊縫,使其變形相反而抵消;8 F' ]1 _# Y! r: k
(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;) K& W7 e- `* u1 Z9 P
(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。
" S2 Y' T( k$ |合理的焊縫設(shè)計(jì)
8 r* D/ B( t0 u" m+ x* q(1)避免焊縫集中、三向交叉焊縫;6 c) ], t: A2 X& f0 N% Q
(2)焊縫尺寸不宜太大;: ^- X0 E! S- n' W, d7 E$ {" P& J
(3)焊縫盡可能對(duì)稱布置,連接過渡平滑,避免應(yīng)力集中現(xiàn)象;
& i5 ~- l L4 [3 Q, }(4)避免仰焊。
0 h, d( W2 @* P3 r8 a; R焊接變形的產(chǎn)生和防止# P6 G* \$ P4 z& _
手工電弧焊接過程中的變形成因及對(duì)策+ H! w7 F+ b7 T6 A4 g3 T2 o
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(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)帶來極大的危害。2 u% C% c( L" \& R8 z
一、 手工電弧焊接過程中的變形成因0 N6 K: G$ \/ @7 O) Y. Z# x
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
' {; R: _0 p2 M3 I3 c3 T9 S) o ?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。. w7 q' D4 p( B) t% a t; p0 v
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
, a0 a! [& L+ B2 S1 H. X. K2 P8 @產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的根本原因。$ d% q3 ]/ u0 {0 P4 j' l
二、 焊件的殘余變形和應(yīng)力的危害性
0 }7 g% J3 _* b2 [ I3 {! \5 v7 \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(duì)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。( P1 w7 I. F, p/ g1 S9 r2 K0 q6 }. }
三、 影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素及變形的種類
! f. A" [& ^# |* t, N! V(一)、影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素有:7 V+ ~& Y/ Q, e; V/ D3 b+ a
1.
7 G+ y3 [4 \0 s2 s5 z/ ]焊縫在結(jié)構(gòu)中的位置;
4 r; J% R5 @" | K, ~* R2.
. T0 c1 ?- t8 p# c: n; d! q結(jié)構(gòu)剛性的大;
B' Q8 i0 l' o7 \! t" W3.* q2 k5 r4 f, H7 {/ t
裝配和焊接順序;
, P5 Q* U9 \; Y- A3 m+ k. W+ l4.$ I- ]2 M8 H) H* `
焊接規(guī)范的選擇。' Y$ y' K3 U, M/ ~! l# H4 f
(二)、焊接變形的種類有:/ l+ l9 w6 N" |
1.% L9 v6 B1 g: X/ F5 u
縱向收縮和橫向收縮;
3 x% h4 x O: W3 ?% 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
3 e0 s/ [# @$ e: a縮,便使焊件發(fā)生了變形。
3 n3 L: d6 z O1 a* a+ I9 r2.. V. p. `; V1 U" Y; i
角變形;
8 m. R7 S% g: @+ [7 F5 y# x3.. o* i y4 j+ J0 N( N
彎曲變形;
! c8 f( ?6 {3 h f, b4 l4.& H4 y8 I% i( M
波浪變形;) ]: \. w j9 `6 ^0 w! G4 H6 z
5.
" G- |% r! i# w" @% `& t扭曲變形。
* U& P f8 z: F* [1 k- ~& _. L(三)、從焊接工藝上分析,影響焊縫收縮量的因
- K' F! q ~& t2 D# ~1 v! D. ^素有:
8 }# f# T0 M" D0 @8 J9 u. z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,
$ w: {/ L: U/ `/ U7 Q9 Z3 v. ~也有利于減小焊接內(nèi)應(yīng)力。- P; Y, Y. Q* h* e
備料情況和裝配質(zhì)量對(duì)焊接變形也會(huì)產(chǎn)生影響。
. `# ^. \9 C! A, u焊接工藝中影響焊縫收縮量的因素有:: [# |, o1 `% Q3 u$ n8 _1 |
1.# o* J1 }) i6 c1 B' q+ t* W
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;
& U x) A3 ^5 m; q6 D2.
( g" t/ g" p' |, B9 e9 B* m$ K焊縫的縱向收縮量隨著焊縫長度的增加而增加;/ I \: V8 h, y7 X$ P% i
3.. X7 R) P. _3 k/ X
角焊縫的橫向收縮比對(duì)接焊縫的橫向收縮; U8 m% i* |" A
4.& W( k/ q7 N& a
間斷焊縫比連續(xù)焊縫的收縮量小;
+ P# E6 U" @: a6 Q' ?5.6 \7 j! _$ [: g% i& O$ d
多層焊時(shí),第一層引起的收縮量最大,以后各層逐漸減小;0 d- f. E% R$ Z, _
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; b M+ b, k9 e1 o
收縮量小,約減少40%--70%; E$ m! ~" Q% C. l. }1 D
7.: [9 N& R9 e9 w+ V
焊腳等于平板厚度的丁字接頭,角變形量較大。' Y8 `" {1 w# a" K
四、防止焊接變形的方法
! s: s4 \) q2 |9 ?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(duì)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。
( r7 d0 Z) r2 U4 O; r3 J. K* q1. 反變形法
j- I: Z" o1 M: t: e( 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(duì)接焊時(shí),采用反變形法以后,基本消除了角變形。
1 A1 O+ j; |9 }9 _6 y# U. d2." |2 e# O6 _. H
利用裝配和焊接順序來控制變形;3 j% v3 x9 ^: C8 g3 A% A$ k
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(duì)稱,焊后產(chǎn)生下?lián)蠌澢冃。解決辦法是由兩人或四人,對(duì)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(duì)稱,焊縫布置也對(duì)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:, V- R- K- z4 Z, H. V
1)盡量采用對(duì)稱焊接。對(duì)于具有對(duì)稱焊縫的工作,最好由成對(duì)的焊工對(duì)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。$ k* L0 z+ U% U2 {
2)對(duì)某些焊縫布置不對(duì)稱的結(jié)構(gòu),應(yīng)先焊焊縫少的一側(cè)。5 h& v* g3 X* R& [. O# k% @0 D/ h- b
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:
" L# @; e& C" `/ |* Qa.分段退焊法
: ~) V: _+ Q0 i) l/ N0 y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)
' s3 f) z' G/ s9 K/ Tb.分中分段退焊法
) W9 k" Y6 A( _1 q7 ?! O g' V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)
7 E. B3 y# X. Xc.跳焊法: M' N7 h+ @% s' ?# T
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)' k3 g+ y3 I0 Z( x* C
d.交替焊法
8 _3 f" n- K y* E+ ^( H; J( O' 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)
0 g; S1 y. w' d7 s: X% me.分中對(duì)稱法
8 ]3 Z* J" S: ~ X- H4 @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)2 Z/ v3 M- _+ \! F
3.剛性固定法
; ?3 D) {+ C# L& E! s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( o9 s% B7 L) B
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。5 K7 c+ N! _' |, ~
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。 |