第五节-焊接结构中的应力与变形

PAGEPAGE2第五节焊接结构中的应力与变形在焊接生产中，焊接应力与变形的产生是不可避免的。焊接过程结束，焊件冷却后残余在焊件的内应力即焊接残余应力往往是造成裂纹的直接原因，同时也降低了结构的承载能力和使用寿命。焊接后产生的变形即焊接残余变形造成了焊件尺寸、形状的变化，这给正常的焊接生产带来一定困难。因此，在焊接生产中的一项重要任务就是控制焊接残余应力和焊接残余变形。一、焊接残余应力1．焊接残余应力的产生及其对焊接结构的影响焊接时，不均匀地加热与冷却是产生焊接残余应力的主要原因。以低碳钢（20钢）为例，在加热时，随着温度的升高，特别是在300℃以上的温度时其强度迅速降低。当温度达到600℃左右时，屈服便接近于零（图6-5)。焊接过程中由于加热的不均匀，在高温时，金属的屈服为零的情况下，处于自由变形状态。当焊接热源移开后，金属恢复强度时其收缩变形受到周围金属的限制，同时组织转变过程中又发生体积的变化，从而产生了焊接残余应力。一般来说，在焊接条件下主要存在下面几种应力。图6-5低碳钢屈服与温度的关系实测曲线一简化曲线(1)温度应力温度应力又称热应力，它是由于金属受热不均匀，各处变形不一致且互相约束而产生的应力。焊接过程中温度应力是不断变化的，且峰值一般都达到屈服点，因此必然发生塑性变形。焊接结束冷却后，也必然有残余应力保留下来。(2)组织应力焊接过程中，金属组织进行相变时将产生体积变化，主要是由于各种组织具有不同的热物理性能（表6-5）。当焊缝金属从高温冷却，奥氏体分解时产生的铁素体、珠光体、马氏体等都会产生体积膨胀，转变后的这些组织都具有较小的膨胀系数。奥氏体分解产生的体积膨胀并不是在自由状态下进行的，而是受到周围金属的约束。同时，由于焊接的不均匀加热与冷却，因此组织的转变也是不均匀的，结果产生了应力。表6-5钢中组织的热物理性能组织热物理性能组织类型奥氏体铁索体珠光体马氏体渗碳体比热容/(cm3/g)线膨胀系数/(×10-6)体积膨胀系数/(×lO-6)0.123～0.12523.070.00.12714.543.50.12860.123～0.12511.535.00.13012.537.5对于低碳钢和一些低合金高强钢焊后冷却时，奥氏体分解为珠光体和贝氏体的温度较高的低碳钢的相变点为723℃），此时金属呈好的塑性，奥氏体转变时发生的体积变化阻力很小，因此不会造成很大的应力。而对于中碳钢和淬硬倾向较大的合金钢，情况就不同了。这些钢焊后冷至200～300℃时，奥氏体才转变为马氏体。这时钢的屈服点很高，马氏体转变时体积膨胀受到周围金属的阻碍，便产生了很大的应力即所谓的组织应力，这也是焊接残余应力的一种形式。低温马氏体转变有时会延续很长时间，使应力分布不断变化甚至应力不断增加，由此可能引发裂纹的产生。(3)拘束应力焊接结构往往是在拘束条件下焊接的。造成拘束状态的因素有结构的刚度、自重、焊缝的位置以及夹持卡具的松紧程度等。这种在拘束条件下焊接，由于受到外界或自身刚性的限制而产生了拘束应力。(4)氢致应力焊接过程中，扩散氢聚集在显微缺陷处而引起的应力称为氢致应力，氢致应力是导致冷裂纹的重要因素之一。上述几种焊接残余应力形式，它们对结构的承载能力以及加工尺寸的精度不可避免地产生影响。对于用塑性较好的钢材制造的焊接结构，由于材料本身能产生足够的变形来消除残余应力的影响，因此对整个结构的承载能力没有太大影响。但是当材料的塑性较差或处于脆性状态时如处于三向拉伸应力状态，则可能发生局部开裂导致结构的破坏。高温状态下工作的焊接结构如容器、管道等，残余应力还会加速蠕变过程。用焊接结构部件进行机械加工时，由于切削的部分破坏了原来构件中的应力平衡，应力重新分布会产生一定的变形，这样会影响加工精度。2．控制焊接残余应力的措施焊接残余应力的控制可以从设计和工艺这两个方面来考虑。设计方面，在保证结构有足够强度的前提下，应尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理地选择焊接接头形式，将焊缝布置在最大工作应力区域外等。下面从工艺方面介绍控制焊接残余应力的方法。(1)选择合理的装配焊接顺序施焊时，要考虑到焊缝尽可能地收缩，以减少结构的拘束度，从而降低焊接残余应力。例如，大型贮罐容器的罐底是由若干块板拼接而成。焊接时焊缝从中间向四周进行，并先焊板与板之间短拼缝，再焊直通长焊缝。这样能最大限度地让焊缝收缩，减少焊接残余应力，如图6-6所示。(2)选择合理的焊接参数对于需要严格控制焊接残应力的结构，焊接时尽可能地采用较小的焊接电流和较快的焊接速度，以减少焊件的受热范围，从而可以减少焊接残余应力。(3)采用冷焊工艺方法冷焊就是焊接过程中使整个结构上的温度尽可能均匀，即要求焊接部位的温度控制低些，同时在整个结构中所占．的范围应尽量小。此外，结构的整体温度应高些，图6-6贮罐底板的焊接这样使得控制焊接区的温度较容易些。采用这种方法，比较能有效地控制由应力所引起的焊接裂纹。冷焊操作的工艺要点主要有：1)采用较小的焊接电流，焊条电弧焊时还应采用较小的焊条直径。2)采用多层多道焊，且每次所焊的焊缝长度要短。每道焊缝焊完后，温度降到不烫手时再焊下一道。3)在每道焊缝冷却过程中，采用锤击焊缝方法。这样通过使焊缝产生部分塑性变形来抵消焊缝的部分收缩变形，从而能降低焊缝的残余应力。冷焊法常应用于缸体等铸铁件的补焊，取得较为理想的效果。4)采用加热“减应区”法。加热“减应区”法就是在焊接或焊补刚度较大的结构时，通过加热影响焊接区自由伸缩的部位即所谓的“减应区”，使之与焊接区的膨胀和收缩协调进行，从而起到减少焊接残余应力的作用。图6-7为采用“减应区”法来控制焊接残余应力示例。图6-7aH形框架中部进行补焊修复时，常因焊缝的横向收缩产生较大的焊接残应力而导致裂纹。为减少焊接残余应力，选择焊缝两侧的平行边框作为“减应区”进行加热，同时开始补焊，并使“减应区”温度处于较高的状态。补焊结束后，使“减应区”和焊缝同时冷却，这样焊缝的收缩变形与“减应区”同时进行，从而降低了焊接处的焊接残余应力。采用“减应区”法控制焊接残余应力的关键在于加热部位的选择和加热温度的控制。选择的加热部位即“减应区”应是阻碍焊接区膨胀和收缩的部位。焊接时冷却时a)b图6-7加热“减应区”法示例a)焊前“减应区”加热，坡口增大b)焊后焊接区与“减应区”同时收缩5)采用反变形法。反变形法实际上就是通过预先留出焊缝能够自由收缩的余量，从而来降低焊接残余应力。例如，将容器或其他壳体上原有的孔、洞封闭焊接起来，由于周围板的拘束度较大，在拘束应力与焊接残余应力的共同作用下很可能导致裂纹的产生。这时可采取图6-8所示的反变形措施，可以有效地控制焊接残余应力。6)锤击法。当焊缝金属冷却时，通过锤击焊缝使焊缝金属产生塑性变形，这样使残余应力释放出来。锤击用的手锤重量一般为0.5kg左右，锤的尖端带有R5mm左右的圆角。锤击时焊缝的温度应在300℃以上或100～150℃左右的范围内，避开200～300℃控制焊接残余应力还有其他的一些方法，如整体预热法、开缓和槽法等。在实际生产中，应根据具体的生产条件因地制宜地选择合适的方法来控制焊接残余应力。3．消除焊接残余应力的方法焊接残余应力的有害影响只是在一定的条件下才表现出来。因此，是否需要消除焊接残余应力应根据设计要求并依据钢材的种类、性能、厚度、结构的制造及使用条件等诸多因素综合考虑后作出决定。图6-8采用反变形减少焊接残余应力常用的消除焊接残余应力的方法是采用焊后热处理即消除应力热处理，将焊件的整体或局部加热到高温回火温度，保温一段时间后再冷却。这样通过加热使金属材料的屈服点降低，较为容易地产生一定的塑性变形，结果焊接残余应力得到释放出来。消除应力热处理可分为整体消除应力热处理和局部消除应力热处理。整体消除应力热处理又称整体高温回火热处理，是将焊件整体放入加热炉中，并缓慢加热至一定温度，保温一段时间后再冷却。如20g钢加热到600～650℃温度范围内，保温一段时间(一般按每毫米保温4～5min，但不小于lh)，然后随炉缓冷。整体高温回火消除残余应力的效果最好，可消除80%—90%的残余应力，在生产中得到局部消除应力热处理又称局部高温回火热处理，是用于大型焊接结构如容器、管道等采用局部热处理的一种方法。局部热处理的有关技术条件目前基本上都有相应的规程、规范作出了明确的规定。如我国的JB/T4709—1992中规定热处理的加热宽度为从焊缝中心算起每侧不得小于容器壁厚的2倍，升温速度为加热至400℃后不得超过℃／h（δ为壁厚，mm）且不得超过200℃／h，最小可为50℃／h。降温时在400℃以上，降温速度不超过℃／h，且不得超过260℃／h，最小可为50℃/h。在DL/T5007—1992中对管道热处理的规定为加热的宽度从焊缝中心起每侧不小于焊缝宽度的3倍，且不小于30mm。升、降温的速度为℃／h（δ为壁厚，mm）且不大于300℃／h，降温至300℃以下可不控制。局部消除应力热处理的加热方式有感应加热和远红外加热等方法。感应加热就是采用工频或中频感应加热。由于加热效率低，较难控温等缺点，目前已较少应用。中频感应加热时的电流集肤效应强，会导致内外壁温差加大，因此在用于厚壁管道热处理时尤应注意。目前，热处理中最常用的远红外加热方式，可采用计算机控制，控温效果好，加热器可做成履带式、绳状等形状和尺寸多种形式，是一种理想的加热方式。焊后消除应力热处理中，应注意下面几个问题：1)热处理制定的工艺参数应合理，测温必须准确可靠。若工艺参数制定的不合理或水测温不准，造成温差大，则会产生温差应力。如果降温过快，又会产生新的残余应力。恒温温度的确定是保证最大可能地松弛残余应力而又不会造成对接头性能的影响，温度过高会造成对接头性能的不良影响。恒温时间的确定要保证残余应力有足够的时间释放，但不宜过长，否则会对材料的性能尤其是韧性产生不利的影响。2)对于有再热裂纹倾向的钢种，如Cr-Mo-V、Cr-Mo-V-B等钢种在消除应力热处理时，加热过程中要尽快通过450～650℃再热裂纹敏感温度区间，以防止再热裂纹的产生。3)一般来讲，钢材经过多次加热或加热时间过长，如工序间热处理和消除应力热处理，或返修后需重新热处理等原因造成多次加热，都会使材料的性能变差。如2Cr-Mo钢热处理时如果加热时间过长，焊缝金属会出现较大的铁素体组织，其强度会明显降低。低温用镍钢经消除应力热处理后，其断裂韧度将会下降。焊接残余应力的消除方法还有整体结构加载法、拉伸法、振动法等方法。在生产中应根据具体的结构特点及要求进行选择，以获得最好的效果及效益。二、焊接变形焊接过程是一个不均匀加热与冷却的过程，这样便导致了焊接应力和变形的出现。焊件的变形从焊接开始时发生并持续到焊接过程结束，直至冷却，最后形成的变形称为焊接残余变形，简称为焊接变形。1．焊接变形对焊接结构的影响其影响主要体现在以下两个方面：1)影响结构尺寸的准确和装配质量。焊接变形必定会引起结构尺寸的变化，因而影响了结构尺寸的精确，降低了装配质量。2)增加了制造成本，降低了接头的力学性能。当焊件产生的焊接变形超过正常值范围需要矫形处理，因而降低了生产效率，增加了生产成本。冷矫形因产生局部塑性变形而使材料产生冷作硬化，降低了接头的塑性。此外，因焊接变形而产生的附加应力还会使结构的实际承载能力下降。2．影响焊接变形的因素(1)焊缝的位置焊缝在结构中的位置对焊接变形的影响是很大的。从表6-6可以看出，焊缝在结构中的位置不同，焊后所产生的变形也不相同。表6-6焊缝位置对焊接变形的影响焊缝对称布置焊缝不对称布置注：表中关于对称焊缝布置的说明，未考虑焊接顺序的影响。(2)焊接结构的刚性刚性是指结构抵抗变形的能力。刚性大，抵抗变形的能力大，结构的变形就小。反之亦然。结构的刚性主要取决于结构的截面形状及其尺寸大小。一般来说，短而粗的焊接结构，刚性较大，焊后产生的变形小。细而长的构件，抗弯曲刚性小，若焊缝不对称结构的中心则会产生弯曲变形。结构抵抗扭曲变形的刚性除取决于结构尺寸大小外，更主要的是结构截面形状。例如截面是封闭式的结构，它的抗扭能力就比非封闭式的结构抗扭能力强。(3)焊接结构的装配及焊接顺序由于结构的整体刚性总是比它本身的零部件的刚性大，因此整体装配好后再焊接，一般来说比边装配、边焊接的变形要小。有了合理的装配方法，若没有合理的焊接顺序配合，结构还是达不到变形的最小程度。即使是焊缝布置对称的结构，如果焊接顺序不合理，仍有可能产生较大的焊接变形。图6-9所示为对称的X形对接接头两种不同焊接顺序产生变形的比较。在实际生产中，对这种情况采用双人对称焊，可以较好地控制焊接变形。(4)其他影响变形的因素除了上述几种显著影响焊接变形的因素外，材料的线膨胀系数、焊接方法、焊接参数、焊接方向等对结构的变形都有一定的影响。1)材料的线膨胀系数：线膨胀系数大的金属其焊后变形也大，如碳素钢，碳锰钢，不锈钢的线膨胀系数依次增大，其焊后变形也依次增大。图6-9x形坡口的焊接顺序对焊接变形的影响a）合理的焊接顺序b）不合理的焊接顺序2)焊接方法：一般气焊的焊后变形比焊条电弧焊的变形大，这是因为气焊时，焊件受热范围大，导致焊后变形大。同样，埋弧焊的焊后变形要比焊条电弧焊大，而手工钨极氩焊的焊后变形相对比焊条电弧焊的焊后变形要小。3)焊接参数：主要指焊接电流和焊接速度，两者直接影响到焊接热输入。一般来说焊接热输入越大，则焊后的变形就越大。反之亦然。4)焊接方向：对一条直缝来说，采用按同一方向从头至尾的焊接方法（直通焊）与分段跳焊方法相比，其焊缝越长，则所产生的焊接变形就越大。主要原因是由于采用直通焊焊缝冷却收缩时，受到的约束最小，其累积的变形最大。5)在焊缝截面尺寸相同的情况下，多层焊比单层焊的变形要小。多层焊时，第一层所产生的收缩变形量最大，第二层的收缩量大约是第一层的20%．第三层大约是第一层的5%～10%，往后就更小。6)在夹具固定条件下焊缝的变形量，比没有夹具固定时变形量要小，但焊件内部将引起较大的焊接残余应力。7)对接接头的角变形与坡口形式和焊缝截面形状有关。坡口角度越大，角变形就越大。其中以单面V形坡口的角变形最大。同样的板厚和坡口，多层焊比单层焊角变形大，层数越多角变形越大。对称形形状的坡口，如x形坡口，若焊接顺序不合理，也会产生角变形。用相同的参数焊接对称坡口的两面，往往是先焊面的角变形大于后焊面的角变形。3．控制焊接变形的措施焊接变形的控制可从焊接结构设计时考虑；如选择合理的焊缝尺寸和形状，尽可能地减小焊缝数量，合理地安排焊缝位置等。也可以从工艺方面进行控制。这里主要从工艺方面介绍焊接生产时，控制焊接变形的一些方法。(1)选择合理的焊接装配顺序前面已述，装配焊接顺序直接影响到焊后的变形。因此，从装配焊接顺序来控制焊接变形具有重要意义。从结构的刚性来考虑，采用先装成整体，然后再焊接，这样可以减小焊接变形。但是并非所有的结构都可以采用总组装后再焊接这样的顺序，特别是对于较复杂的结构。对于复杂的结构，一般则是把结构进行适当地分成部件，分别装配焊接，然后再拼焊成整体。在这个过程中，使不对称的焊缝或收缩量较大的焊缝能比较自由地收缩而不影响整体结构。这样做既有利于控制焊接变形，又能扩大作业面，提高生产效率，缩短生产周期。焊接顺序（包括焊接方向）对焊接变形的影响也很大。如有许多结构截面对称，焊缝布置也对称，焊后却发生了变形，如果装配工艺是合理的，则可以认为这种变形就是由于焊接顺序不当所引起的。在考虑焊接顺序对焊接变形控制的因素时，应注意下面几个方面。1)采用对称焊接。由于焊接过程总有先后，而且随着焊接过程的进行，结构的刚性也在不断增大，因此一般先焊的焊缝容易使结构的变形大。对称焊就是当结构上具有对称布置的焊缝时，通过对称布置焊接顺序，来相互抵消每条焊缝所引起的焊接变形。如口径较大的管道焊接，通过二人同时进行对称焊就可以较好地控制焊接变形。2)结构焊缝不对称时，应先焊焊缝分布少的一侧，后焊焊缝多的一侧。目的是使后焊焊缝产生的变形足以抵消前一侧的变形，这样可减少整个结构的焊接变形。图6-10a为压力机压型上模的结构，由于其焊缝布置不对称，如果不考虑焊接顺序，焊后将出现总体挠曲变形（向焊缝多的一侧弯曲）。为了防止挠曲变形的产生，采用6-10b所示的焊接顺序，即先焊焊缝少的一侧，焊后会出现图6-10c所示的上挠变形。然后再焊焊缝多的一侧2、2′及3、3′焊缝。这样，焊后所产生的收缩变形将足以抵消焊接1、1′焊缝时所产生的上挠变形。a）上挠变形c)图6-10压力机压型上模及其焊接顺序3)采用不同的焊接顺序。对于结构中的长焊缝，如果采用连续的同一方向焊接即直通焊，将会造成较大的变形。如果在可能的情况下，将连续焊改成分段焊，并适当地改变焊接方向，这样可以使局部焊缝所产生的变形适当减小，并相互抵消，以达到减少总体变形的目的（图6-11）。图6-11中的分段退焊法、分中分段退焊法、跳焊法和交替焊法常用于长度为lm以上的焊缝。长度为0.5～lm的焊缝可用分中对称焊法。交替焊法实践上使用较少。退焊法和跳焊法的每段焊缝长度一般为100～350mm较为适宜。b)c)d)e)图6-11对接焊缝采用不同焊接顺序的方法a)分段退焊法b）分中分段退焊法c）跳焊法d）分中对称焊法e）交替焊法(2)反变形法与控制焊接残余应力的反变形法相似。为了抵消（补偿）焊接变形，在焊前装配时，预先制成与焊接变形方向相反且数值尽量相等的变形，以达到防止产生残余变形的目的，这种方法在实际生产中较为广泛的使用。图6-12所示为几种反变形的方法。在船体建造过程中，避免和减少船体的总变形是一个重要的问题，而反变形法是控制船体变形的一个重要手段。例如，船体应用正造法中合龙时就采用了反变形措施来控制焊接变形（图6-13）。(3)刚性固定法在焊接前，通过对焊件外加刚性拘束，使其在焊接时不能自由变形，这种控制焊接变形的方法称为刚性固定法，如图6-14所示。当焊后外加拘束去掉后，焊件仍会残余一些变形，不过这时的变形要比没有加拘束时的变形要小。刚性固定法将会使焊接接头中产生较大的焊接残余应力，对一些脆性较大的材料应慎用。在实际生产中，对于大批量生产并具有固定形状的焊接结构，一般采用专用装焊夹具，如图6-15所示为汽车横梁及焊接用胎具示意图。采用专用装焊夹具不仅能在焊接时产生刚性固定作用，同时能符合快速装卸要求，适应批量生产，b)图6-12几种反变形的方法a)平板对接b）工形梁焊接c）薄壳结构支承座焊接图6-13船体分段正造法反变形示意图1—未作反变形的焊后变形形状2—按图样设计要求的形状3—胎架上作出的反变形形状根据焊接变形产生的原因，还可以采用散热法来控制焊接变形。散热法就是采用强迫冷却方法将焊接区的热量散走，使焊接受热面积大为减少，从而达到减少变形的目的。散热法不适用于有淬火倾向的钢种。此外，还可以采用锤击焊缝及其周围区域的方法，即锤击法来控制焊接变形，这种方法是通过对焊缝金属的适当锻延来补偿焊缝金属冷却收缩所产生的变形。采用锤击法来控制焊接变形其锤击的要求与控制残余应力的方法基本相同。图6-14钢板和管道对接焊时的刚性固定槽形铁b)图6-15汽车横梁及焊接专用胎具示意图在实际生产中防止和控制焊接变形的方法较多，在选择时要考虑焊件的材质、结构的形状和尺寸等诸多因素以及所采用的控制变形方法的效果等进行综合分析后再作出决定。4．焊接变形的矫正在焊接生产中，尽管采取种种方法来防止变形的产生，但是总避免不了焊接变形的