焊接变形和应力的产生及预防

浅谈焊接变形和应力的产生及预防

摘要本文通过对焊件在焊接过程中产生变形和裂纹的原因进行了分析,讨论如何防止和减少焊件在焊接后的变形和焊接应力,确保焊件的结构尺寸和物理性能的稳定性。

关键词焊接应力;焊接变形、焊接顺序、装焊顺序、反变形法、刚性固定法、预热法、加热“减应区”法。

中图分类号 tg404文献标识码 a 文章编号

1674-6708(2010)16-0104-02

0 引言

焊接技术自1882年出现到如今已广泛应用在国民经济的各种领域,对焊接技术的研究也是日新月异。其中很重要的一项就是如何防止和减少焊件的变形和焊接应力。

1 产生变形和裂纹的原因

热胀冷缩是自然规律。金属在受热后就要膨胀,冷却时体积缩小,不同金属或合金都有不同的线膨胀系数和收缩率。焊件在焊接加热时的膨胀和焊后冷却的收缩大小,取决于不同金属的线膨胀系数和温度的高低,以及不同金属的收缩率。它是影响焊件变形的裂纹的一个因素,但主要的是在焊接过程中焊件温度分布的不均匀而产生的内应力形成变形和破裂。尤其是在焊接过程中,焊件部位形成熔池的焊缝金属和过热区与焊件其它部位温度相差悬殊。在焊接加热时,高温金属的膨胀,受到周围低温金属的压缩应力的作用,而在冷却的过程中高温金属收缩受到低温金属的牵制,又产生了拉应力致

使塑形金属焊件变形,脆性金属焊件破裂的主要原因。

2 焊接应力与变形的关系

在焊接过程中,焊件受到电弧不均匀的加热,受热区域的金属膨胀程度也不同,此时产生的内应力及变形是暂时的,而焊接完毕待焊件冷却后,剩余的内应力及变形就称为残余应力与变形,简称焊件应力与变形。

1)焊接应力根据空间位置和相互关系可分3种:

(1)单向应力(如图1-1)。焊接薄板的对接焊缝及在焊件表面上堆焊时,焊件存在的应力是单方向的。

(2)双向应力。在焊接较厚板时,焊件存在的应力虽不同向,但均在一个平面内,即是双向的。

(3)三向应力:当焊接厚大焊件或在三个方面焊缝的交叉处,三向应力都存在。单向应力对焊件的强度影响较小,而焊缝中存在的双向应力和三向应力对焊件的强度及冲击值都有很大的影响。

2)焊接变形。焊接变形的种类很多,根据焊接变形对结构的影响可分为整体变形和局部变形。整体变形包括纵向缩短、横向缩短、弯曲变形及扭曲变形。局部变形包括角度变形、波浪变形。

在焊接结构中,焊接应力和变形往往是同时存在的,又是相互制约的,要求的焊接结构既不存较大的残余变形,又不允许有大的焊接应力的存在。

3 防止和减少焊接结构变形

3.1 选择合理的装焊顺序和焊接顺序

装焊顺序和焊接顺序对焊接结构变形的影响以工字钢焊接为例,如图(4-4)

图(4-4)

图(4-4)是所示工字梁结构简图。如果按图(4-4d)所示边装边焊的方法,由于焊t字接头时焊缝1、2都处在x-x的下侧,就会造成整个结构长度方向发生上拱,当再装上1块上盖板后,在焊接3、4

缝时的整个工字梁的钢性增大,所以变形仍由1、2焊缝引起上拱。如果按图4-4c所示总装后焊接的方法,由于焊缝1、2和3、4在焊接的刚性基本上相互抵消,最后工字梁将保持平直的状态。

3.2 反变形法

对于厚度较小的板件,焊接时通常采用反变形法。反变形法就是在焊前先将工件与焊接变形相反的方向进行人为的变形。如图(5-5)以厚度8~12mm的钢板v形坡口单面对接焊为例

可以看出,图(5-5a)图中没有用反变形法的两块钢板焊接口两接钢板形成角度为a的变形。而如图b所示将其变形的变形角提前反向预留,则在焊后达到两块钢板平整的效果。

此种方法对角度a的预留量要根据板厚的尺寸相应制定。

3.3 刚性固定法

刚性固定法又称抑制法。这种方法就是根据焊件的结构、变形部位及方向用夹具等强制固定的方法来防止焊件的变形。这种方法对于焊接2mm以下厚度的薄板长焊缝非常有效。但注意的是 ,刚性固定法虽然能显著减少变形,但却阻碍焊件的自由收缩,焊后将在结

构中出现较大的焊接应力。所以对易淬火变得硬脆的中碳钢及铸铁焊件不易采用。

4 减少焊接应力的方法

焊接应力往往使焊件的许用应力降低,疲劳程度下降,故防止或减小焊接应力在焊接工艺中极为重要。上面提到的合理选择装焊和焊接顺序虽能减少一部分焊接应力,但对于一些焊件我们还得采用其他的方法来尽量消除其焊接应力。在这里我着重讨论预热法和加热“减应区”法。

1)预热法。这种方法是对焊件整体进行加热,一般加热到

150~350℃,其目的是减少焊接区和结构总体尽可能的均匀冷却,从而减少内应力。这种方法对小型的脆性易裂的材料尤为适用。但预热温度值应视金属材料、结构刚性、散热情况的不同而异。