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摘 要：焊接残余力严重影响着部件的承载能力和加工精度等,因此必须要消除残余应力.本文通过对焊接残余应力的产生机制分析、研究,总结出降低、消除残余应力的方案.
关 键 词：焊接残余应力形成机制
焊接是繁琐结构生产时一种重要加工方式.焊接结构和其他相关加工方式相比较来讲能够节约金属材料,拥有良好的密封性,工序相对简单且制造的周期比较短,能够制造许多其他工艺方法无法完成的结构.可是,因为焊接时出现温度场造成受约束热应变、塑性应变,所以形成残余应力.通过调查研究表明,焊接残余应力严重影响着部件的承载能力等,因此一定要在最大程度上消除或是降低焊接残余应力,进而提升部件的整体焊接质量.
一、焊接残余应力产生的原因
针对纵向残余应力形成过程,通常运用图1进行描述,
图1低碳钢在焊接过程中的纵向应力应变分布图
焊接时,焊缝及其附近因热膨胀受到周围温度较低金属的拘束,产生大量的压缩塑性应变.在降温时,母材的刚性会制约着焊缝和近缝区域的收缩,已经发生的塑性变形焊缝区域还会受到塑性拉伸过程中补偿部分压缩的塑性变形量,最后形成残余应力的范围会和高温环境下的遭受塑性压缩的范围相对应,除去弹性拉伸区域之外还存在塑性拉伸区域,而且弹性拉伸区域和残余拉应力也是相吻合[1].明显可以得出,母材中出现塑性压缩是造成低碳钢板在焊接过程中产生纵向残余应力的重要原因.除此之外,塑性压缩的应变原理还可以描述成横向的残余应力的变形主要过程,而母材的收缩是造成焊接缝发生横向收缩的主要因素.在进行母材焊接时会出现膨胀现象,同时焊接缝的金属形成固体时,正在膨胀的母材一定会遭到塑性压缩,此收缩就是横向收缩的重要组成部分,焊缝自身的收缩大致只是现实收缩的10%.运用截面法把对接接头沿着焊缝的轴线进行切开,从板边堆焊过程中形成的变形趋势可以推出焊接缝的大致分布,焊接缝的两端一定会存在压应力,而中心范围部位是拉应力中的横向应力.
二、降低残余应力的对策
1.科学、合理编排焊接顺序
在进行焊接时尽可能让焊接缝可以自由收缩.首先要焊收缩量相对比较大的焊接缝,保证焊接缝在结构总体刚性相对比较小的前提下可以自由收缩[2].然后焊接相互错开的短焊缝,再焊直通的长焊缝.如果焊接结构存在交叉焊缝接头,一定要先焊接工作过程中受力相对比较大的焊接缝,合理编排焊接顺序,以免出现焊缝受力不均匀现象,确保焊缝科学、合理地分布.
2.采用预热缓冷法
焊件自身的温差越大,形成的焊接应力就越大.在焊接之前对焊件完成预热,可以在一定程度上降低焊接应力[3].通常情况下,在焊接之前把焊件投放在炉内进行加热,在焊接时避免加热过后的焊件快速冷却,从而降低焊缝位置温度和基体金属自身温度的温差,使两者膨胀数值渐渐接近,进而降低内应力.如果焊接件总体预热存在一定困难,可以选择局部预热,也就是在焊缝和两侧至少不少于80毫米出完成加热.另外,在预热过程中提升温度一定要保持均匀,而且要求整条焊缝每个位置的温度大体上保持一致.投放在退火炉进行缓冷时一定要把焊接过后的部件加热至600摄氏度,再缓慢冷却下来.
3.锤击法
经过研究证明,焊接缝在通过锤击处理之后可以在很大程度上降低熔合区域周边的残余应力[4].在母材上距离熔合区域比较远的位置,残余应力的降低相对较小.加载冲击可以直接影响焊接残余应力.在冲击能量不断增大时,熔合线周围的残余应力会在大幅度上降低,而冲击能力增大到一定数值时,会减缓残余应力的转变速度.
三、消除残余应力的对策
1.热处理方法
热处理方法主要是在高温环境下降低屈服点与蠕变现象实现清除残余应力.另外热处理方法还能够改进接头性能.首先,总体热处理.加热温度和保温时间及加热、冷却速度等直接影响着热处理消除焊接残余应力的效果[5].保温时间主要依据板的厚度来确定,通常情况下按照每毫米板厚为1至2分钟来计算,但是最短不可小于30分钟,最长不可多余3小时.对于碳钢、中低合金钢来讲,一般加热温度在580至680摄氏度之间,对于铸铁来讲,加热温度在600至650摄氏度之间.其次,局部热处理.运用局部加热处理仅仅可以降低焊接残余应力的峰值,不可以彻底消除焊接残余应力.采用的加热方式主要有电加热和火焰加热等.同时消除焊接残余应力和加热的范围及温度分布有着密切关系.
2.加载方法
加载方法主要是采用各种方式在部件上设置一定拉伸应力,从而使焊接缝和周围形成拉伸塑性变形,完成焊接过程中和焊缝周围形成的压缩塑性变形一一抵消,实现松弛应力的目标.第一,机械拉伸方法,主要是对焊件添加载荷,让焊缝区域形成塑性拉伸,在一定程度上降低已有压缩塑变,进而降低或是消除焊接残余应力,比如说压力容器中水压试验.第二,温差拉伸方法,运用温度差让焊接缝的两侧金属经过受热膨胀向焊接缝区域进行拉伸,从而形成的拉伸塑变和已有的压缩塑变相互抵消,在一定程度上降低焊接残余应力,或是消除焊接残余应力.
结束语：
长期以来,焊接残余应力是焊接过程中一个不可避免的缺陷,所以在焊接之前,一定要对该部件的材料和工作条件及力学性能等多个方面进一步明确、了解,科学、合理的编排焊接工艺,选择有效措施,才能够获取良好的焊接效果,从而满足总体焊件的相关焊接质量要求.