焊接应力消除与防止焊接变形的方法

更新时间：2017/7/28  点击数：37890

      工件在焊接过程中因为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，称为焊接残余变形。

      对所有熔化式焊接，在焊缝及其热影响区都存在较大的残余应力，残余应力的存在会导致焊接构件的变形、开裂并降低其承载力；同时，在焊缝的焊趾部位还存在凹坑、余高、咬边造成的应力集中；而焊趾处的熔渣缺陷、微裂纹又形成了裂纹的提前萌生源。由于受残余拉应力、应力集中和裂纹萌生源的影响，焊接接头的疲劳寿命大大降低。

      残余应力都集中在焊缝附近，当焊接残余应力与承载的工作应力叠加，其数值超过材料的屈服极限时，工件就会在焊缝附近产生焊接变形，断裂等现象。研究残余应力的影响不仅考虑其数值的大小，而残余应力的方向也是重要因素，用盲孔法残余应力检测仪可以对焊接残余应力值的大小和方向进行测量。在分析残余应力的影响时，即使焊接构件的残余应力值远远低于其材料的屈服极限，但如果存在严重的应力集中，那么焊接构件在其运输和使用过程中也会因残余应力的释放而发生永久性的塑性变形。

豪克能焊接应力消除设备，能百分百消除焊接应力，防止焊接变形。

一、根据焊件的不同要求来选用焊接应力消除与减少焊接变形的原则：
1、
焊接结构要求控制变形（一般是指塑性好，刚性小的薄壁焊接结构）时，可选用刚性固定法焊接、反变形法焊接和逆向分段焊接法等。
2、焊接结构要求控制应力（一般是指空淬倾向大，塑性差的焊接材料，合金钢管对接焊、缸体补焊等）时，可选用预热焊接、焊后回火焊接、锤击焊缝法焊接等。
3、焊接若以减少变形为主，则尽可能使各条焊缝的变形限制到*小值或其变形方向相反、相互抵消，可选用对称焊、逐步退焊、分中对称焊、跳焊等。
4、焊接若以降低应力为主，则尽可能使各条焊接焊缝能自由收缩或受阻碍较小，应先焊收缩量大的焊缝，焊缝方向指向自由端，焊后回火等。
5、焊接限制波浪变形，以刚性固定法焊接较好；限制角变形焊接和弯曲变形焊接，以反变形法焊接或刚性固定法焊接联合使用。原则是：刚性小的焊件采用弹性反变形，刚性大的焊件则以塑性反变形较好。
6、焊接纵向或横向收缩，一般采用下料时预留长度来补偿其缩短量。
大厚度焊件焊接时，焊缝存在的应力是沿空间三个方向作用的。三个方向的应力会显著降低焊缝金属的强度和冲击韧性，导致裂纹。因此，焊接厚壁管时要采取措施降低焊接残余应力，通常采用的办法是焊前预热、对称焊和多层多道焊。

二、焊接应力的消除方法主要有：
1、利用锤击焊缝区来控制焊接残余应力焊接残余应力产生的根本原因是由于焊缝在冷却过程中的收缩，因此，焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属展开，能有效地减少焊接残余应力。据测定，利用锤击法可使残余应力减少1/2~1/4。锤击焊缝时，构件温度应当维持在100~150℃之间，或在400℃以上，避免在200~300℃之间进行，因为此时金属正处于蓝脆阶段，若锤击焊缝容易造成断裂。
多层焊时，除层和*后一层焊缝外，每层都要锤击。层不锤击是为了避免产生根部裂纹；*后一层通常焊得很薄，主要是为了消除由于锤击而引起的冷作硬化。

2、利用振动时效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，经过多次循环加载后，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。一种大型焊件使用振动器消除应力的装置。振动法的优点是设备简单、成本低，时间比较短，没有高温回火时的氧化问题，已在生产上得到一定应用。

3、利用“加热减应区法”来控制焊接残余应力焊接时，加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，就能减小焊接应力，这种方法称为“加热减应区法”，加热的部位就称之为“减应区”。利用“加热减应区法”减小焊接应力，关键在于正确选择“减应区”的部位，总的原则是选择那些阻碍焊接区自由膨胀和伸缩的部位。必须注意，焊接区本身绝不能作为减应区的部位，因为那时焊接应力非但不减小，相反还会增加。实际操作时，检验减应区的部位是否选择正确，可用气体火焰在该处加热一下，若焊接缝隙处张开，则表示选择正确。

4、利用降低结构局部刚来控制焊接残余应力构件的刚度增加时，焊后的残余应力将显著加
大。因此，在条件许可时，焊前采取一定的工艺措施，将焊接区域的局部刚度降低，能有效地降低焊接残余应力。例如，一圆形封头补焊时，需加一塞块。因封头较厚又是封闭焊缝，所以焊接应力很大，焊后在焊缝中经常发现裂纹。今在靠近焊缝处开两圈缓和槽，降低了接头处的局部刚度，使焊接应力大为降低，有效地防止了裂纹。
5、利用预热法来控制焊接残余应力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。预热法经常用于减小合金钢(奥氏体不锈钢除外)、厚板、刚度大的构件焊接时产生的应力。若构件整体预热有困难时，可采用局部预热，即在焊缝及其两侧不少于80mm处进行加热。因为加热区太窄，会造成新的温差应力。
6、利用高温回火来消除焊接残余应力由于构件残余应力的*大值通常可达到该种材料的屈服点，而金属在高温下屈服点将降低。所以将构件的温度升高至某一定数值时，应力的*大值也应该减少到该温度下的屈服点数值。如果要完全消除结构中的残余应力，则必须将构件加热到其屈服点等于零的温度，所以一般所取的回火温度接近于这个温度。
（1）整体高温回火
将整个构件放在炉中加热到一定温度，然后保温一段时间再冷却。通过整体高温回火可以将构件中80%~90%的残余应力消除掉，这是生产中应用*广泛、效果*好的一种消除残余应力的方法。回火时间随构件厚度而定，钢按每毫米壁厚l~2min计算，但不宜低于30min，不必高于3h，因为残余应力的消除效果随时间迅速降低，所以过长的处理时间是不必要的。
（2）局部高温回火
只对焊缝及其局部区域进行加热消除残余应力。消除应力的效果不如整体高温回火，此方法设备简单，常用于比较简单的、刚度较小的构件，如长筒形容器、管道接头、长构件的对接接头等焊接残余应力的消除。
7、利用温差拉伸法来消除焊接残余应力温差拉伸法消除焊接残余应力的基本原理与机械拉伸法相同，主要差别是利用局部加热的温差来拉伸焊缝区。温差拉伸法是在焊缝两侧各用一个宽度适当的氧乙炔焰焊炬进行加热，在焊炬后面一定距离，用一根带有排孔的水管进行喷水冷却。氧乙炔焰和喷水管以相同速度向前移动。这就形成了一个两侧温度高(峰值约为200℃)、焊接区温度低(约为100℃)的温度差。两侧金属受热膨胀对温度较低的区域进行拉伸，这样就可消除部分残余应力。据测定，消除残余应力的效果可达50%~70%。
8、爆炸法通过布置在焊缝附近的炸药带，引爆产生的冲击波与焊接残余应力的交互作用，使金属产生适量的塑性变形，从而消除焊接残余应力的方法，叫焊接残余应力爆炸法。