焊接残余应力与变形的控制.doc

本文由welite2010贡献
pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。
维普资讯
焊 接 残 余 应 力 与 变 形 的 控 制　
鲍 鸿春　
目前 ， 机 械 工 厂 焊 接 车 间 的设 计 中 ， 在 业　 主越 来 越 多 的提 到 如 何 控 制 焊 件 在 焊 后 所 产　
给 我 们 的设 计 工 作 也 会 带 来 一 定 困难 。所 以　
对 控 制 焊 接 残 余 应 力 和 焊 接 变 形 在 设 计 中采　
取 的 主要 措 施 ， 们 也 须 有 一 定 了 解 。这 些　 我 措施包括 ： 　
生 的焊 接 残 余 应 力 与 焊 后 变 形 。 因 为 有 残 余　 应力的焊 件 在 随 后 的 加工 、 运 及 使 用 （ 贮 承　 载 ） 程 中 的 回 弹 变 形 会 对 其 加 工 质 量 产 生　 过 严 重 影 响 。焊 接 变 形 还 会 降低 焊 件 的 疲 劳 强　
度 与 承 载能 力 ， 可 能 导 致 焊 件 在 接 下 来 的　 也
（） 焊 缝 长 度 尽 可 能 最 短 ； １使 　 （） 板 厚 尽 可 能 最 小 ； ２使 　 （） 焊 脚 尽 可 能 最 小 ； ３使 　 （ ） 先 选 用 断 续 焊 缝 取 代 连 续 焊缝 ； ４优 　 （ ） 先 选 用 角 焊 缝 取 代 对 接 焊缝 ； ５优 　 （ ） 用 对 接 焊 缝 连 接 的 构 件 应 在 垂 直　 ６采
于 焊 缝 的 方 向上 具 有 较 大 的可 变形 长度 ： 　
机加 工 时 难 以 保 证 规 定 的 制 造 公 差 。 因 此 ， 　
如何 联 系 产 品 自身 工 艺 ， 上 我 们 设 计 中安　 加
排 的 生 产制 造 工 艺 ， 效 地 控 制 焊 件 的 焊 接　 有 残余 应 力 与 焊 接 变 形 ， 为 我 们 在 设 计 中 经　 成
常 要 面 对 的 问题 。 　
（ ） 杂 结 构 件 最 好 采 用 分 部 件 组 合 焊　 ７复
接。 　
我 们 都 知 道 ， 接 残 余 应 力 与 焊 接 变 形　 焊
两 者 是 一 对 对 立 的 矛 盾 体 。 在 焊 接 生 产 中最　 常 用 的控 制 焊 接 变 形 的 措 施 ， 是 通 过 焊 接　 就
能 够 用 于 减 少 焊 接 残 余 应 力 和 焊 接 变 形　 的制 造 工 艺 措 施 并 不 少 ， 各 有 其 不 同 的 适　 但 用 范 围与 效 能 ， 根 据 不 同 的施 焊 对 象 作 不　 可 同 的安 排 。 对 于 可 以通 过 采 取 完 善 的生 产 措　 施 而 得 以较 好 控 制 焊 接 残余 应 力 和 变 形 的焊　 接 构 件 来 说 ， 焊 接 工 艺 包 括 以 下 内容 即可 ： 其 　
（） 接方法 ； １焊 　 （） 缝形式 ； ２焊 　 （） 接母材 ； ３焊 　
胎 夹 具 将 焊 件 固 定 夹 紧 ， 采 取 这 种 措 施 的　 而
结 果 之 一 就 是 控 制 住 了 焊 接 变 形 ， 增 大 了　 而
焊 件 的残 余 应 力 。 反 之 ， 果 焊 接 过 程 中 不　 如 给焊 件 施 以 一 定 的 约 束 ， 焊 件 变形 较 大 ， 则 而　 焊 接 残余 应 力 相 对 较 小 。 因 此 ， 想 能 轻 易　 要 地制 造 出 残 余 应 力 与 变 形 均 低 的 焊 件 ， 际　 实
上是很困难的 。 　
降 低 焊 接 残 余 应 力 或 减 少 焊 接 变形 的措　
施 可 以分 为 焊 前 、 时 和 焊 后 措 施 。 焊 前 措　 焊 施 是 指 焊 件 结 构 设 计 及 材 料 选 择 等方 面 所 采　 取 的措 施 ， 也包 括 采 用 预 先 成 形 ， 择 焊 件 支　 选 撑 或 固定 方 式 以 及 确 定 焊 接 顺 序 和 焊 接 规 范　 等 。焊 时 措 施 包 括 预 热 或 冷 却 。 焊 后 措 施 则　
指焊后消除应力 的处理或矫 正处理 。 　
（） 充材料 ； ４填 　
（） 验方法 ； ５试 　 （） 处 理 。 ６热 　 对 于 因 为 具 有 较 多会 相 互 产 生 不 利 影 响　
的焊 缝 而 更 难 制 造 的 结 构 来 说 ， 接 工 艺 流　 焊 程 还 可 以补 充 下 列 内 容 ： 　 （） 件预制 ； １构 　 （） 件尺寸检查 ； ２构 　
（ ） 件 的矫 正 处 理 ； ３构 　
在 最 近 的设 计 工 作 中 ， 们 接 触 到 了 一　 我
些高新技术 产业 化 的项 目。在 实际设 计 中 ， 　
我 们 发 现 此 类 产 品 在 从 试 验 室 产 品走 向工 厂　
批 量 生 产 的 过 程 中 ， 略 了 针 对 产 品 在 实 际　 忽
（ ） 件 的 定位 或 固定 方式 ； ４构 　 （ ） 缝 横 截 面 上 焊 层 的顺 序 ； ５焊 　 （ ） 缝 长 度 上 焊 接 的顺 序 ； ６焊 　
生产 中 的工 艺 性 而 进 行 的 产 品结 构 的 改 善 ， 　
４　
维普资讯
（） 焊段的焊接 方 向； ７各 　
（） 段退焊 ； ８分 　 （） 缝顺序 ； ９焊 　
（０） 接 胎 夹 具 的应 用 ； １ 焊 　
了氢 扩 散 以 防 裂 纹 的 产 生 （ 可 能 来 自潮 湿　 氢 的焊 条 药 皮 ） 而 且 焊 缝 两 边 的预 热 面积 应 尽　 ，
可能 的大。 　
焊缝 区 的 预 热 可 用 （ 焊 ） 炬 、 热 垫　 气 焊 加
或感 应 线 圈 局 部 进 行 ， 用 石 棉 垫 减 少 热 损　 并 失 而且 能保 护 操 作 工 人 ， 般 不 需 采 用 炉 中　 一 整体预热 。 　
５ 冷 却 法　 　
（ １ 多 台焊 机 同时 施 焊 的 安排 。 １） 　 谈 及 具 体 生产 中所 能 够 采 取 的 降 低残 余　
应 力 和 变 形 的 有 效 措 施 ， 文 主要 讨 论 以 下　 本
几种 ： 　 １ 焊 接 顺 序 法　
为 了限 制 熔 化 区 的 宽 度 ， 在 焊 接 的 同　 可
焊 接 顺 序 对 残 余 应 力 和 变 形 的 产 生 影 响　 极大 ， 因此 质 量 要 求 较 高 的 焊 接 结 构 均 要 在　 其 焊 接 工 艺 流 程 中 精 细 安 排 焊 接 顺 序 。 例　 如 ， 于 圆 筒 形 结 构 的 拼 焊 ， 先 焊 纵 向 焊　 对 要
缝 ， 焊 周 向 焊 缝 。 对 于 带 有 加 强 筋 的 板 件　 再 焊件 ， 先 焊 板 材 间 和 筋 板 间 的 对 接 焊 缝 ， 应 后　 焊板材与筋板 间的角焊缝 。 　
２ 分 段 退 焊 法　
时 进 行 冷 却 ， 样 也 具 有 减 少 残 余 应 力 和 变　 这 形 的作 用 。例 如 ， 渣 焊 时 焊 缝 表 面 靠 水 冷　 电 铜 质 滑 块 成 形 ； 光 对 焊 时 工 件 由水 冷 铜 钳　 闪 夹 持 ； 焊 时采 用 水 冷 铜 质 电极 ， 等 。 点 等 　
６ 反 变 形 法　
焊接 构 件 在 焊 前 采 取 变 形 补 偿 或 安 装　 （ 即反 变 形 安 装 ） 可 在 一 定 程 度 上 解 决 角 收　 ，
缩 问题 。例 如 ， 接 翼 板 ～腹 板 接 头 时 ， 让　 焊 可 翼 板 偏 离 其 正 常 位 置 而 相 对 于腹 板 转 动一 定　 角度 ， 随后 依 次 焊 接 双 面 纵 向角 焊 缝 ， 以其 角　
收缩变形使翼板 复位 。 　
７ 刚 性 夹 持 法　
分 段 退 焊 这 一 措 施 主 要 用 于解 决 低 速 焊　 接 长 焊 缝 时 ， 缝 熔 池 前 方 坡 口容 易 出现 楔　 焊 形 张 开 或 闭合 这 一 问题 。分 段 退 焊 法 第 一 步　
是 进 行 短 缝 定 位 焊 （ 要 注 意 先 两 边 再 中 间　 也
的次 序 ） 第 二 步 是 定 位 点 间 ， 与 焊 缝 整 体　 ； 按 相 反 的 方 向 进 行 焊 接 。 第 三 步 即其 余 的 焊　 层 ， 在 交 替 改 变 焊 接 方 向后 连 续 焊 接 。分　 可 段 退 焊 法 被 广 泛 用 于 船 舶 或 贮 罐 等 大 型 结 构　
的焊 接 。 　
３ 同 时 对 称 焊 法　
在 我 们 设 计 中经 常 用 到 的 是 采 用 焊 接 胎　 夹 具 ， 可 能 将 被 焊 构 件 紧 固 地 固 定 。这 对　 尽 于减 少 被 焊件 的 角 收 缩 来说 也 是 一 种 有 效 措　 施 。需 要 注 意 的 是 ： 般 来 说 刚 性 夹 持 法 对　 一 于减 少 横 向和 纵 向 收 缩 作 用 不 大 ， 为 这 种　 因 情 况 下 会 产 生 能 迅 速 超 过 固定 元 件摩 擦 自锁　
极 限 的极 大 的 收 缩 力 。 　
８ 退 火 法　
焊接 构 件 中 经 常 会 有 对 称 布 置 的 焊 缝 ， 　 如果 能 同 时 施 焊 ， 可 起 到 很 明显 的 减 少 焊　 便
接 变形 的作 用 。 例 如 ， 于 坡 口横 截 面 形 状　 对
焊 接 残 余 应 力 可 以通 过 焊 件 显 微 组 织 的　 改 善 得 以降 低 ， 件 产 生 变 形 和 裂 纹 的 可 能　 焊
性 也 会 在 加 热 至 再 结 晶 温 度 以 上 时 大 大 减　
对 称 性 良好 的 焊 缝 （ 如 双 Ｖ形 坡 口焊 缝 ）　 譬 ，
各焊层应以焊 件板 中心平 面 为对 称布 置 ， 且　
同 时 施 焊 ， 样 便 可 避 免 角 收 缩 并 提 高 热 效　 这
率。 　 ４ 预 热 法　
少 。 因此 ， 除 应 力 退 火 不 仅 能 降 低 宏 观 残　 消
余 应 力 ， 且 能 够 降 低 微 观 残 余 应 力 。需 要　 而
注 意 的是 ， 避 免 在 构 件 表 面 与 内 部 之 间 产　 为
焊 接 残 余 应 力 和 焊 接 变形 均 可 通 过 预 热　
而 减 少 ， 别 是 由 于 冶 金 方 面 的 原 因 ， 于 钢　 特 对
材 来 说 ， 热 可 能 是 很 有 必 要 的 。 钢 材 焊 前　 预
生 过 大 的 温 度 差 ， 热 与 冷 却 均需 缓 慢 进 行 。 加 　
否则 由此 而 产 生 的 热 应 力 可 能 会 引 发 裂 纹 。 　
因 此 有 必 要 适 当延 长 热 透 与 退 火 时 间 或保 温　 时 间 。 在 德 国 标 准 中 ， 火 温 度 范 围 为 ５０ 退 ３　 ８０ ， 火 时 间 最 少 为 １ ０℃ 退 ５～６ ０分 钟 ， 热　 加
Ｓ 　
预 热 主要 有 两 个 作 用 ： 是 降 低 热 影 响 区 中　 一 的冷 却 速 度 （ 此 改 善 显 微 结 构 ） 二 是 减 少　 以 ；
维普资讯
与冷 却 速 率 则 由 板 、 厚 度 决 定 。 另 外 一 点　 壳 就是 ： 焊 接 接 头 由 不 同的 材 料 构 成 ， 消 除　 若 则
应力 退 火 之后 可 能 会 产 生 较 大 的 冷 却 应 力 。 　 对 于 如 何 确 定 是 否需 要 采 用 焊 后 热 处 理　
动 消 除 应 力 法 。若 能 正 确 应 用 此 法 ， 它 比　 则
热 态 消 除应 力 法 具 有 许 多 优 越 性 ， 如 ： 时　 诸 耗 少 、 耗 低 、 热 变 形 、 压 痕 等 。 需 注 意 的　 能 无 无
是 ： 虑 到 随后 可 能 发 生 的疲 劳 损 伤 ， 动循　 考 振
这 一 问题 ， 们 可 以 从 以下 情 况 分 析考 虑 ： 我 当　
构件 含 碳 量 或 碳 当 量 较 低 ， 主要 构 件 已 经 过　
消除应力退火 ， 、 厚度不 大， 性结构 ， 板 壳 柔 焊　
环 总数 应 避 免 太 高 。 　
１ 锤 击 、 压 法　 ２ 滚
锤 击 法 在 实 际 生 产 中经 常 可 以 看 到 ， 因　 为 它 简 单 易 行 ， 且 行 之 有 效 。 只 要 金 属 材　 而
接 区已 预 热 ， 陷 检 查 情 况 良好 ， 料 塑性 较　 缺 材 好 时 ， 避 免 采 用 焊 后 热处 理 。 应 　 ９ 过 载 法　 过载作 为整个 制 造工 艺 过程 的一 部分 ， 　
料 具 有 足 够 的 塑 性 ， 无 论 其 处 于 冷 态 或 热　 则
态 下 ， 可 采 用 锤 击 方 式 来 延 展 焊 缝 。这 是　 均
消 除 焊 缝 纵 向 收 缩 与 弯 曲 收 缩 的 一 种 有 效 方　 法 。 由于 锤 击 降 低 了 残 余 拉 应 力 ， 而 焊 缝　 因
开 裂 的可 能 性 也 得 以 同 时减 小 。焊 缝 锤 击 法　
在船 舶 制 造 业 等 大型 构 件 焊 接 中得 到 了广 泛　 的应 用 。 　
有 可能 是 用 于 矫 正 或 成 形 ， 有 可 能 用 于 提　 也
高 结构 的 强 度 。过 载 引 起 的 局 部 屈 服 会 产 生　
局部硬化并 降低 残余 应力 。但 是要 注意 ， 此　
法 以材 料 具 有 较 高 塑 性 为 先 决 条 件 ， 此 构　 因
件通常要预热 。 　
１ 火 焰 消 除 应 力 与 感 应 消 除应 力 法　 ０
对 于 带 有 对 接 焊 缝 的 金 属 薄 板 ， 消 除　 要
其 翘 曲并 降 低 残 余 应 力 ， 用 冷 滚 压 则 比 冷　 采
锤击 更 为 合 适 。 在 相 对 较 窄 （ １ ｎ ｎ宽 ） 约 ０ｕ 的　
当焊 缝 纵 向 残 余 应 力 较 高 时 ， 采 用 火　 可 焰 消 除 应 力 法 ， 降 低 应 力 的 效 果 优 于 机 械　 其
冷态 消 除应 力 法 。火 焰 消 除 应力 法 是 通 过 火　 焰 加热 与 喷 水 冷 却 配 合 进 行 ， 而 在 焊 缝 两　 从
钢 滚 轮 下 ， 力 载 荷 的作 用 更 均 匀 且 产 生 的　 压 冲击 较 小 。滚 压 产 生 的延 伸 作 用 在 减 小 板 厚　 的 同 时 ， 能 消 除 纵 向收 缩 与 弯 曲 收 缩 ， 降　 还 并 低 纵 向 残余 应 力 。 　 以 上 所 阐述 的 是 一 些 能 够 有 效 降 低 焊 接　 结 构 件 焊 后 残 余 应 力 与 焊 后 变 形 的措 施 。 论　 述 的 目 的是 希 望 对 行 业 同 仁 在今 后 的 焊 接 车　 间 制 造 工 艺 设 计 中 能 有所 帮 助 。 篇 幅 所 限 ， 　 本文未对这些措施 作更深层 次的探讨 。 　
参 考 文 棘　
边形 成 有 界 加 热 区 ， 热 区 的 热 膨 胀 使 焊 缝　 加
区产生 纵 向 拉 伸 与 横 向压 缩 。 在 此 过 程 中 ， 　 焊 缝 区发 生 屈 服 ， 缝 则 塑 性 伸 长 ， 却后 残　 焊 冷
余 应 力 得 以降 低 。 　
感 应 消除 应 力 是 指 类 似 对 管 子 环 焊 缝 区　 的外 表 面 进 行 短 暂 感 应 加 热 ， 时 在 其 内 表　 同 面进 行水 冷 的 处 理 。 它 的 原 理 与 火 焰 消 除 应　
力 法 相 近 ， 而 同 属 于 冷 态 热 效 应 消 除 应 力　 因
法。 　 Ｉ 振 动 消 除 应 力 法　 Ｉ
Ｉ 贾 安 东 著 ， 接 结 构 及 生 产 设 计 ， 津 ： 津 大 学　 ． 焊 天 天
出 版 社 ，９ ９　 １８ ；
２ 田锡 唐 主 编 ， 接 结 构 ， 京 ： 械 工 业 出 版 社 ， ． 焊 北 机 　
１ ９８１　 ；
将 已经 冷 却 的 构 件 置 于 振 动 台 上 ， 借　 或 助 附 着 式 震 动 器 ， 接 近 于 构 件 固 有 频 率 的　 以 较 高频 率 做 ５—２ ０分 钟 的 低 幅 振 动 ， 为 振　 即
３ 【 ］ 拉 达伊 著， 第 京等 译 ， 接 热效应 ， ． 德 Ｄ． 熊 焊 北　
京 ： 械 工 业 出 版 社 ，９７ 机 １９　
６ 　

本TXT由“文库宝”下载: