浅谈焊接应力与变形

浅谈焊接应力与变形在焊接工程中，由于焊接过程中多方面的原因，产生了焊接应力与焊接变形，一直是比较常见的现象，给工程质量和工程成本带来了不利的因素。如何防止和减少焊接应力，将焊接变形控制在最小范围内，是每个焊接工程技术人员和高级焊工应该考虑的一个现实问题。一、焊接应力产生的原因我们说存在于焊接结构中的应力，是在焊接过程中，焊体中产生的随时间（实际上是随温度）而变化的变形和应力分别称为焊接瞬时变形和焊接瞬时应力，焊后（冷却到自然温度）焊件中残留的变形和应力分别称为焊接残余变形和焊接残余应力。这些应力和由于应力产生的焊体变形对焊件的质量是有很大影响的，它直接影响了焊接结构的制造外观尺寸和内在质量，也影响到焊接结构的使用性能，并且减少使用寿命。焊接应力和焊接变形产生的原因是多方面因素造成的。如果概括为一句话就是在焊接过程中不均匀的加热和冷却作用在各种材料和结构上，表现出的受力状态和形状的效应。二、焊接应力的种类存在于焊接结构中的应力，按其产生的原因和性质可简单分为五类。1、热应力焊接过程中不均匀加热和不均匀冷却而产生的热应力，它是焊接中最常见的焊接应力。2、拘束应力焊接过程中主要是结构本身或外加拘束作用而产生的应力。3、相变应力焊接过程中在焊缝接头及热影响区产生不均匀的金属组织转变而引起的应力。这种应力产生于碳当量较多或焊接工艺不当时。4、氢应力焊接后，在焊接接头区域由于扩散氢聚集在显微缺陷处而引起的局部应力。例如，空气湿度较大或焊条烘烤温度不够等原因而引起含氢量大量产生时。5、焊接残余应力焊接以后存在于结构内的应力，尤其在焊接压力容器、球形储罐等工程中，焊接后会产生大量的焊接残余应力。各种焊接应力的大小和分布都与焊接材料、钢材的性质、焊接工艺方法、热输入、焊接工艺参数、焊接装配顺序及焊工的操作方法有密切的关系，同时结构本身的形状及外加拘束度、焊接环境等条件也是有关的。焊接应力往往综合叠加出现。三、焊接应力的危害1、降低结构的承载能力我们知道焊件残余应力与工作应力叠加，增加了结构承受的应力水平，实际上是降低了结构的承载能力或降低了结构的强度安全系数。当随着应力的增大超过了钢材的屈服极限时，将造成焊缝及热影响区的拉伸塑性变形，消耗掉了材料本身的塑性。在厚壁结构中，立体交叉焊缝都有可能造成多向拉伸应力，在长时间疲劳载荷下较多的拉伸残余应力会使长期使用的结构产生一定程度的变形。2、拉伸残余应力的存在造成应力腐蚀，使工作在腐蚀介质中的结构产生应力腐蚀开裂。3、焊接应力的危害，还表现在造成焊接裂纹，这是最危险的一种危害。在温度、金相组织及结构刚性拘束力的相互作用下，焊接应力达到一定直时，将会产生各种热裂纹、冷裂纹，严重影响结构质量，造成潜在的危害，导致返修或使结构报废，尤其在球罐焊接后，如果整体热处理没有消除焊接产生的残余应力，两年后开罐无损检测，就会发现大量的焊接裂纹，将严重影响球罐的使用寿命。这是我们亲身体会到的。4、影响结构尺寸的稳定性，特别是在焊后要加工的结构，加工后会破坏内应力的平衡，引起结构变形或加工尺寸不稳定。四、影响焊接应力的因素影响焊接应力的因素很复杂，也很多，往往是综合因素综合作用，根据本人多年工作经验，主要有以下几种因素。1、焊接结构形式的影响在压力容器筒体环缝焊接中，纵向焊接残余应力大小和分布与筒体直径、筒体壁厚及压缩塑性变形区的宽度有关，且随圆筒体直径的增加而增加，随塑性变形的扩大而降低。2、刚性拘束的影响在平板对接中，两块钢板焊接前，在横向加以刚性拘束，焊后对纵向应力影响不大，两横向侧为单一的拉伸应力，板窄拘束应力大，板宽侧拘束应力减小。对于长焊缝先焊的一端应力较小。撤除外加拘束后，拘束应力消除，残余应力将重新分布。3、板厚及坡口形式的影响随着板厚的不同，残余应力的分布也不同，而且在垂直与焊缝轴向上的横向应力也不能忽视。在厚板表层附近残余应力最大，这种板厚产生的双向应力是产生横向裂缝的一个重要的原因。4、焊接层数及焊接道数的影响，在厚壁球罐焊接中为什么容易产生焊接应力。这与焊接层数及不分道焊接有一定的原因，我们知道球罐的焊接工艺规程是根据焊接工艺评定及板材的厚度来编制的，板材越厚焊接层数就越多，但在实际焊接中，我们往往注重了层数而忽略了每层是否要分道焊接。板材越厚，焊缝坡口角度相对较大，在盖面前的填充焊接中，往往一根焊条只能焊很短的焊缝。这样焊缝局部反复加热，产生了很大的线能量。不仅破坏了金相组织，也产生了大量的气体排不出来，从而产生了局部焊接应力。如果在盖面前的填充焊接中焊道采用每层分成几道焊接，就可以避免或减少焊接应力。5、焊接工艺参数的影响随着焊接热输入的增加，加热宽度和残余应力增大，拉伸残余应力宽度也增大6、焊接方向的影响横向残余应力是由焊缝及其附近塑性变形区的纵向和横向收缩不同时进行所引起的应力合成。其大小和分布与板长及焊接方向有关。由中央向两边焊时，中央为压应力，由两端向中央焊时，两端为压应力。7、相变的影响焊接碳当量较高的高强钢时，焊缝组织将发生由奥氏体向马氏体的转变，使比容增大。在这种转变温度下，材料已恢复弹性，所以出现相变应力，它与不均匀的塑性变形引起的焊接应力叠加，在相变区为压应力，而体积膨胀也可能在某些部位引起相当大的横向拉伸相变应力，这是产生冷裂纹的主要因素。五、防止和减少焊接应力的方法方法主要是编制合理的焊接工艺、制定切实可行的操作措施。1、首先要采用合理的焊接顺序和焊接方向，比如圆筒型储罐的底板焊接应先焊中幅板，而中幅板要先焊短焊缝，后焊长焊缝，而且焊工要对称焊接。边板也同样先焊向心焊缝，再焊与中幅板连接的长焊缝。球罐焊接也是先焊赤道带纵缝，后焊上下温带纵缝，再焊上下极板纵缝，最后焊赤道带环缝，再最后焊上下温带环缝。采用合理的焊接顺序和方向，其基本原则是：焊接平面上的焊缝时，应使纵、横向收缩都比较自由。结构中收缩量最大的焊缝要先焊，如先焊对接焊缝后再焊角焊缝。在焊交叉焊缝时，焊接顺序应保证交叉点部位不会产生缺陷且刚性较小。例如在混合式球罐上下温带的Y型焊缝焊接时，在焊立焊短焊缝时，收弧不能在交叉点，应往上焊一段（一般超过交叉点50—80mm）这样避免了三条焊缝接头在一点上，就不容易产生局部应力集中和焊接缺陷。2、尽量采用小的焊接热输入小的焊接热输入可以减小不均匀加热区的范围及焊缝收缩量。也可控制焊接线能量在焊接工艺规程规定的范围内。在操作上采用小直径焊条，并且要采用多层多道焊，在实际焊接中，有些焊工不按焊接工艺规程规定的要求使用焊条，为了焊接速度用直径大的焊条代替直径小的焊条，造成焊接线能量增大及焊接应力增大。在球罐施工中焊接工作结束了，剩下的都是φ3.2mm焊条，而φ4mm焊条往往不够用。同时要注意用小电流快速不摆动焊及焊接热源集中的高能焊法，控制层间温度，以及分段及分段倒退焊法等也能减小热输入。3、在焊接条件允许的情况下采用整体预热也可以减小焊接接头与结构整体之间的温度差，这样可以减小焊接热循环中不均匀的胀缩引起的不均匀塑性变形，减小焊接应力。4、锤击法焊后对焊缝迅速均匀地锤击，使焊缝各层产生塑性变形，即可减小焊接变形，也可以减小焊接应力。锤击时要依次渐进，力量要适中，使2mm范围内受到影响，要根据材质特性选择焊道长度和锤击温度。一般情况下打底焊道不进行锤击，以免导致裂纹。焊缝表面也不能锤击以免影响焊缝外观。5、消氢处理根据工作经验对由冷裂倾向的高强度合金钢要采用低氢焊条、碱性焊条。而且焊条使用前一定要做扩散氢复验。焊条烘干要严格按规范规定达到450~480℃，使用时放到保温筒内，每次焊工手中不得超过3根焊条。焊接前清除坡口表面的水分、油、锈等并预热到120℃左右。焊接环境温度、湿度也要控制，一般低合金钢球罐焊接环境湿度不能高于90%，温度不能低于5℃。焊接完毕（焊完一条处理一条）立即进行消氢处理。即焊缝和热影响区加温到250℃恒温30分钟后随空气冷却。6、消除应力处理消除应力处理也就是焊后热处理，以球罐为例，一般球形储罐焊后采用整体热处理来消除焊接残余应力。它的原理是以球罐本身为燃烧室，球罐外表面进行保温，以0#轻质柴油（如温度在零下可用-10#）为燃料以压缩空气为雾化剂，以自然风作为助燃的二次风，三次风。用液化气作为点火材料，点燃装在球罐下人孔的高压喷咀，将压缩空气送入喷嘴，气体喷出后将柴油雾化，同时调节油、气、风，使其连续稳定燃烧。烟气由装在上极人孔带有碟阀的烟囱排出。这样喷咀燃烧形成的热量就会以对流和辐射的方式使球体加热到一定的温度，此时钢材不发生相变，而屈服强度大大降低，于是就发生了塑性流动，焊缝及附近的焊接和组装过程中的残余应力就转化成塑性变形，残余应力得到释放。同时较长时间的保温，也利于焊缝金属中氢的扩散，提高了球罐的使用寿命。焊后热处理在国外已形成了专门术语（PWHT），我国锅炉压力容器的安全技术检察规程对热处理有规定，但不详细，根据对球罐的施工经验，16MnR低合金钢热处理温度为600—650℃，16MnDR低温钢为570—600℃，20g,22g在520—580℃，12CvMoVg在600~700℃。保温时间每25mm板厚为1h。这里特别提到美国ASME标准规定热处理温度达不到时，可以延长保温时间，同样达到保温效果，北京化工四厂1000立方米炳烷球罐热处理温度差20℃到600℃，就采用了延长恒温时间处理的。如下表所示：低于规定温度℃降低温度时最少延长保温时间h低于规定温度℃降低温度时最少延长保温时间h25285103549520热处理是一门理论和实际较深的技术，在这里只是根据工作经验略谈一下，其余结构焊接后热处理原理基本相同，但方法却有区别。六、焊接变形1、焊接变形的种类1）线收缩变形：由焊缝纵向横向收缩所引起结构尺寸的相应缩短。2）角变形：焊缝截面形状不对称或施焊层次不合理，引起焊缝在厚度上横向收缩量不一致所产生的变形。3）弯（饶）曲变形：结构上焊缝分布不对称或焊件断面形状不对称，焊缝的横向或纵向收缩引致结构轴线弯曲所产生的变形。4）波浪变形：焊缝纵、横向收缩使结构拘束度较小的部位受压失去稳定引起的变形。如薄壁箱体的凸出或凹进象波浪一样。5）扭曲变形：由于装配不良，施焊顺序不合理，焊缝纵、横向收缩不均匀引起的结构扭曲。2、焊接变形的危害焊接变形的危害主要是降低组对质量，影响结构的承载能力，在外载作用下将会产生应力集中和附加应力，降低结构的安全系数，同时在焊接过程中产生的变形，有时使焊接工作无法继续进行。产生的变形有时花费人力物力可以矫正，有时变形是无法矫正的。3、防止焊接变形的方法由于本人水平有限，在这里只是简单根据工作经验及查阅一些资料采用如下一些方法来防止和矫正焊接变形，主要是以防为主，因为矫正变形比较困难。一方面焊接成形的部件和结构，刚性大大增加以致无法矫正。另一方面变形和应力是成反比的，变形小，应力大，反之变形大应力就小，通常是变形与应力同时存在，矫正了变形可能引起残余应力增加。当材料塑性较低时，经不起反复矫正，特别是火焰矫正，所以说以防为主是问题的关键。1）设计工作是基础设计合理的焊缝尺寸，对角焊缝在不影响结构受力的情况下尽量少焊焊肉，尽量减少焊缝数量，尽量选用对称焊缝，要留有装焊卡具的位置，并且以断续焊缝代替连续焊缝等都是有效的方法。2）预留收缩余量焊缝收缩与焊缝宽度有关。焊件在自由状态下，焊条电弧焊同一条焊缝，横向收缩相当于2~4米长的焊缝纵向收缩量，故焊缝不长时，主要考虑横向收缩。焊缝横向收缩与接头、坡口、板厚有关，对接焊缝比角接焊缝大，连续焊比断续焊大。在多层焊中，打底焊层收缩量最大，第二层仅是第一层的20%，第三层就更小了。圆柱容器直径误差可通过放横向收缩量来克服。3）反变形反变形是施工中最常用的办法，虽然比较麻烦但比矫正还是有利多了。根据经验或理论计算好的结构变形的大小和方向，事先组对时反向变形，使之焊后与焊接变形相抵消。4）刚性固定在没有反变形情况下可以加强构件的刚性，以减小残余变形，可以制作专门的刚性装备，也可以利用工件本身相互抵制。例如，焊H形钢时，可以将两根叠放在一起，用卡具固定后在焊纵向角焊缝。但采用这种方法只能减