焊接应力与焊接变形

焊接应力与焊接变形-课件学习要点：·焊接应力·焊接变形·降低焊接应力的措施·焊接变形的危害性及预防焊接变形的措施一、什么是焊接应力？被焊工件内，由焊接引起的内应力称为焊接应力。根据焊接应力产生时期的不同，可把焊接应力分为焊接瞬时应力和焊接\t"/item/%E7%84%8A%E6%8E%A5%E5%BA%94%E5%8A%9B/_blank"残余应力。焊接瞬时应力是焊接时随温度变化而变化的应力；焊接残余应力则是被焊工件冷却到初始温度后所残留的应力。根据焊接应力在被焊工件中的方位不同，可将焊接应力分为纵向应力、横向应力和厚向应力。实际上，焊接应力都是三维应力，但对于薄板，厚向应力相对较小，可按二维应力处理。二、什么是焊接变形？焊接过程中被焊工件受到不均匀温度场的作用而产生的形状、尺寸变化称为焊接变形。随温度变化而变化的称为焊接瞬时变形；被焊工件完全冷却到初始温度时的改变，称为焊接\t"/item/%E7%84%8A%E6%8E%A5%E5%8F%98%E5%BD%A2/_blank"残余变形。三、降低焊接应力的措施（一）设计措施1.减少焊接量减少焊缝的数量和尺寸，可减小变形量，同时降低焊接应力。2.改变焊缝分布避免焊缝过于集中，从而避免焊接应力峰值叠加。3.优化接头形式优化设计结构，如将容器的接管口设计成翻边式，少用承插式。（二）工艺措施1.采用较小的焊接线能量较小的焊接线能量的输入能有效地减小焊缝热塑变的范围和温度梯度的幅度，从而降低焊接应力。2.合理安排装配焊接顺序合理的焊接顺序，使焊缝有自由收缩的余地，降低焊接中的残余应力。例如，在大型储罐底板的焊接中，先进行短焊缝的焊接，所有短焊缝焊接完后再焊接长焊缝。焊接过程中不要加外力约束，使其能够自由收缩，可以有效地降低短焊缝中的残余应力。3.层间进行锤击焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属晶粒间的应力得以释放，能有效地减少焊接残余应力从而降低焊接应力。例如，在进行铸铁部件的焊接时，不及时进行敲击以释放应力，焊缝周边的母材会出现明显的裂纹。4.预热拉伸补偿焊缝收缩（机械拉伸或加热拉伸）对于那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，采用预热或机械方式，使之与焊接区同时拉伸（膨胀）和同时压缩（收缩），就能减小焊接应力，这种方法称为预热拉伸补偿法。5.焊接高强钢时，选用塑性较好的焊条选用塑性较好的焊条施焊，由于焊缝的金属填充物具有良好的塑性，通过塑性变形，可有效地减小内应力。6.预热构件本体上温差越大，焊接残余应力也越大。焊前对构件进行预热，能减小温差和减慢冷却速度，两者均能减小焊接残余应力。7.消氢处理采用低氢焊条以降低焊缝中的含氢量，焊后及时进行消氢处理，都能有效降低焊缝中的氢含量，预防氢致集中应力。消氢处理的温度一般为300~350℃，保温2~6h后冷却。消氢处理的主要目的是使焊缝金属中的扩散氢逸出，降低焊缝及热影响区的含氢量，防止氢致冷裂纹的产生。8.焊后热处理（1）消除残余应力的最通用的方法是高温回火，即将焊件放在热处理炉内加热到一定温度(Ac1以下)和保温一定时间，利用材料在高温下屈服极限的降低,使内应力高的地方产生塑性流动,弹性变形逐渐减少,塑性变形逐渐增加而使应力降低。（2）焊后热处理对金属抗拉强度、蠕变极限的影响与热处理的温度和保温时间有关。（3）焊后热处理对焊缝金属冲击韧性的影响随钢种不同而变化。9.利用振动法来消除焊接残余应力构件承受变载荷应力达到一定数值，经过多次振动后，结构中的残余应力逐渐降低，即利用振动的方法可以消除部分焊接残余应力。一般大型焊件使用振动器消除应力。振动法的优点是绿色环保、设备简单、成本低、时间比较短，已在机械制造行业得到广泛应用，工程建设项目上应用还处于推广阶段。四、焊接变形的危害性及预防焊接变形的措施(一)焊接变形的分类焊接变形可分为在焊接热过程中发生的瞬态热变形和室温条件下的残余变形。残余变形可分为焊件的面内变形和面外变形。1.面内变形：可分为焊缝纵向收缩变形、横向收缩变形和焊缝回转变形。2.面外变形：可分为角变形、弯曲变形、扭曲变形、失稳波浪变形。(二)焊接变形的危害焊接变形的危害主要表现在：降低装配质量、影响外观质量、降低承载力、増加矫正工序、提高制造成本等五个方面。(三)预防焊接变形的措施1.进行合理的焊接结构设计（I）合理安排焊缝位置焊缝尽量与构件截面的中性轴对称；焊缝不宜过于集中。（2）合理选择焊缝数量和长度在保证结构有足够承载力的前提下,应尽最选择较小的焊缝数量、长度和截面尺寸。（3）合理选择坡口形式尽可能减少焊缝截面尺寸，例如，选用对称的坡口、U形坡口等。2.采取合理的装配工艺措施（1）预留收缩余量法为了防止构件焊接以后发生尺寸缩短，可将预计发生缩短的尺寸在焊前预留出来。例如，储罐底板排版直径，宜按设计直径放大0.1％~0.15％。（2）反变形法为了抵消焊接变形，在焊前装配时，先将构件向焊接加热产生变形的相反方向，进行人为的预设变形，这种方法称为反变形法。（3）刚性固定法刚性固定法广泛用于工程焊接较小的构件，对防止角变形和波浪变形有显著的效果。为了防止薄板焊接时的变形，常在焊缝两侧采用型钢、圧铁或楔子压紧固定。例如，在大型储罐底板焊接时采用较多；现场组焊塔器、球罐时，往往采用弧形加强板、日字形夹具进行刚性固定。（4）合理选择装配程序对于大型焊接结构，适当地分成几个部件进行装配焊接，然后再组焊成整体。这样，小部件可以自由地收缩，而不至于引起整体结构的变形。例如，压力容器分节制造等。3.采取合理的焊接工艺措施（1）合理的焊接方法尽量用气体保护焊等热源集中的焊接方法。不宜用焊条电弧焊，特别不宜选用气焊