火焰矫正工艺的基础原理

火焰矫正工艺的基础原理火焰矫正工艺的基础原理FlameStraigteningWhitePaper_57266_12.indd103.06.1312:0202火焰矫正工艺的基础原理LINDOFLAMM®是林德集团的注册商标。火焰矫正工艺是一种可以迅速消除焊接结构的变形而不会对材料构成任何损伤的工艺技术。下文主要关注火焰矫正的基本原则、所需的设备和气体，以及针对不同种材料的火焰矫正技术。FlameStraigteningWhitePaper_57266_12.indd203.06.1312:0203火焰矫正工艺的基础原理内容01. 简介 402. 应力 – 外力 – 收缩 503. 工件上的热冲击 704. 火焰矫正的原则 905. 火焰矫正可以应用于哪些材料？ 1006. 应用于火焰矫正的燃料气体 1207. 应用于火焰矫正的割（焊）炬 14 7.1. 火焰矫正用割（焊）炬的设计 14 7.2. 火焰矫正火用割（焊）炬的选型 1408. 用于矫正操作时的火焰设置和指南 1609. 用于缩短或弯曲部件的基本加热方法 18 9.1. 用于缩短的中心型加热或对称型加热 18 9.2. 用于弯曲的不寻常型或非对称型加热 1810. 应用于火焰矫正的加热技术 20 10.1. 采用点加热来矫正薄板 20 10.2. 采用椭圆形加热来安装管路系统 21 10.3. 采用线形加热来去处凸出变形 22 10.4. 加热楔子 2311. 热膨胀的拘束 24 11.1. 对薄型材的膨胀进行拘束的夹具 25 11.2. 对钢板、管材及其他结构的膨胀进行 拘束的夹具 2612. 火焰矫正之后的冷却 2713. 针对不同材料的火焰矫正技术 28 13.1. 碳钢、细晶粒结构钢和热作模具钢 28 13.2. 高合金奥氏体不锈钢 28 13.3. 镀锌部件 28 13.4. 铝和铝合金 2814. 火焰矫正的工艺流程 2915. 所有氧-乙炔工艺的气体供应选项 3016. 割（焊）炬的操作以及安全方面的 31 注意事项FlameStraigteningWhitePaper_57266_12.indd303.06.1312:0204火焰矫正工艺的基础原理焊接和其他的制造工艺中将热量传导到金属中，随后冷却时应力被保留下来，导致变形或扭曲。火焰矫正工艺是用来矫正这些扭曲部件的一种历史悠久的、高效的方法。火焰矫正工艺基于这样的物理原理：即金属材料会热胀冷缩。如果膨胀受到拘束，那么压应力就会产生，如果加热温度足够高，会导致产生塑性内部变形。而冷却时，塑性变形量将保留下来。在实际生产中，采用氧-乙炔火焰来迅速加热工件上的指定部位。冷却时金属的收缩量比它受热时的膨胀量要更多，因此任何相关的扭曲变形可以得以矫正。适合火焰矫正工艺的材料包括钢、镍基合金、铜合金、黄铜和铝合金。尽管不同类型的燃料气体都可以用于火焰矫正，但只有氧-乙炔才能实现最高的火焰温度和火焰密度，从而实现快速加热。如何选择合适的设备取决于材料的类型和厚度。原则上，针对薄板和厚度不超过25mm的钢板，可使用在大部分工厂都常见的标准割炬来进行矫正。针对大面积钢板的火焰矫正例如船甲板和甲板舱，应使用3只或更多的可调节的单火焰割嘴，装在可在大面积范围内轻易移动的小轮车上。针对更厚的钢板，请使用LINDOFLAMM®特制割炬。01. 简介 自动化火焰矫正解决方案FlameStraigteningWhitePaper_57266_12.indd403.06.1312:0205火焰矫正工艺的基础原理¡(%)¡=6/lol图1：碳钢的应力-应变曲线02. 应力 – 外力 – 收缩在关于火焰矫正的讨论中，对”应力”这个术语经常有错误的解释，这个词在客户中间造成了某种焦虑。在火焰矫正中，位于部件上的应力是覆盖分布的。调查表明火焰矫正可降低部件中的残余应力。应力是什么？它们是如何产生的？如果一个部件置于外力作用下，其每个截面都会产生反作用力。应力指那些没有变形的截面其单位面积上所承受的那部分力。外力都会产生应力，无论是可对工件产生巨大冲击的外力或是无法造成塑性变形的外力。应力有什么影响？应力导致塑性变形，和/或导致部件的内应力状态（对于敏感的材料，有产生应力腐蚀的风险）。如何来影响应力？可以通过外观尺寸的矫正措施例如热处理或机械处理来影响应力。如何来使用应力？应力可以用来硬化部件的截面，和/或降低承受载荷时工件的尺寸偏差。部件因焊接或火焰矫正而导致的变形机理是类似的。在这两种应用中，都发生了局部受限的热输入，然后导致了受热区域的膨胀。受热区域相邻的冷区域拘束了其膨胀，导致了受热区产生了压缩内部变形。为了促进受热区域的塑性变形，必须达到这种材料的屈服极限，此种极限稍高于弹性极限。为实现这个塑性变形，需要一个外力结合工件外形引起流动过程并产生超越弹性极限之上的应力。关于这些相关性，请查看图1。屈服极限断裂强度极限抗拉强度极限弹性极限应变火焰矫正区间最大许用工作应力 = σ/1.50.10.2比例极限(胡克定律的适用范围 E = x3)应力(N/mm2)σsσσEReRmσB max.o = F / AσPFlameStraigteningWhitePaper_57266_12.indd503.06.1312:0206火焰矫正工艺的基础原理那些在焊接冷却之后没有变形或仅有轻微变形的部件处于高水平的焊接残余应力之下，这是因为收缩的应力没有导致部件的变形。这些收缩应力可能经过之后的动载或机械加工才会释放出来，应力释放后将导致所不期望的变形。焊接之后释放的应力导致了变形，这意味着残余焊接应力水平很小，部件将保持稳定。焊接过程会有4种收缩应力产生，取决于刚性水平，这4种应力所导致的扭曲变形都是可见的。必须综合考虑焊接参数如焊接方法、焊缝数量、以及对单位长度焊缝所施加的能量，以便来影响残余焊接应力。必须制定并执行焊接之后的跟进措施。后续应该考虑采取下面的以下措施降低应力：1) 热工艺→在炉子中低应力退火→火焰加热→采用加热元件加热→感应加热2) 机械工艺→间歇性的机械过载→振动去应力→锤击→喷丸处理→火焰去应力→火焰矫正火焰矫正工艺被划分为机械工艺，是因为火焰矫正工艺导致的膨胀产生了对工件有冲击的外力，然后在工件中产生了应力。超过弹性极限之后就会在工件上产生塑性变形，这是不可逆的变形。L 纵向收缩Q 横向收缩D 厚度方向收缩W 角变形图2：焊接过程中的收缩类型DwDQQLLFlameStraigteningWhitePaper_57266_12.indd603.06.1312:0207火焰矫正工艺的基础原理03. 工件上的热冲击当部件被焊接在一起时，材料因承受热输入而产生膨胀。而低温区域会拘束这个膨胀然后材料就产生了塑性压缩内部变形。当焊缝金属冷却时，焊缝会收缩，母材上的热影响区也会收缩。这些收缩的叠加就导致了部件变形。火焰矫正工艺采用类似的方法来消除这样的变形，即通过将热量传导到部件上不同于焊接位置的部位。过长的部件需要专门加热。塑性内部变形得到了拘束，并在冷却时导致尺寸外形的变化。这个工艺可以通过图3中所示的一个T型接头来解释：首先，双面角焊缝焊接，然后腹板以及翼缘上的焊缝和热影响区会收缩，从而导致翼缘上产生一个角变形。火焰矫正通过在角焊缝背面采用线状加热法，在那些翼缘需要被缩短的点上来进行加热。所需加热线的数量取决于变形情况、工件的尺寸以及其残余应力水平。不同的材料在火焰矫正中的行为方式不同，取决于材料本身的特性以及其热膨胀行为。具有高膨胀系数的材料倾向于在加热阶段急剧地膨胀。如果这个膨胀收到拘束的话，就会产生特别严重的压缩塑性内部变形。而冷却时收缩的性能也是相对不同的。表1中提供了常见材料的热膨胀特性。图3：焊后的T型接头及其火焰矫正焊缝以及热影响区火焰矫正后的T型粱加热线焊后的T型接头FlameStraigteningWhitePaper_57266_12.indd703.06.1312:0208火焰矫正工艺的基础原理表1：不同种材料的膨胀行为材料牌号膨胀系数α (mm/m K)膨胀量(mm)碳钢锅炉用钢钢轨用钢S235JRS355JOP265GH16Mo313CrMo4-50.011 – 0.014细晶粒结构用钢热作模具钢S355NS890QLS355MS460M0.012 – 0.015镍基合金材料2.4360[NiCu30Fe]2.4602[NiCr21Mo14W]2.4856[NiCr22Mo9Nb]0.010 – 0.014奥氏体不锈钢1.4404[X2CrNiMo17-22-2]1.4301[X5CrNi18-10]1.4541[X6CrNiTi18-10]0.016 – 0.019纯铝0.020 – 0.024适用于焊接的非时效硬化的锻造合金EN AW-3103[AlMn1]EN AW-5754[AlMg3]EN AW-5083[Al Mg4,5Mn0,7]适用于焊接的时效硬化的锻造合金EN AW-6005A[AlSiMg(A)]EN AW-6082[AlSi1MgMn]EN AW-7072[AlZn1]EN AW-7020[Al Zn4,5Mg1]铜合金 0.018 – 0.019膨胀量100°C工件长度 1,000 mm火焰矫正温度1.31.41.21.72.62.62.62.62.62.61.89.18.88.712.37.89.86.54.66.512.6铝合金软材料硬材料FlameStraigteningWhitePaper_57266_12.indd803.06.1312:0209火焰矫正工艺的基础原理04. 火焰矫正的原则火焰矫正时，部件被精准地加热到材料特定的可产生塑性变形的火焰矫正温度。作为热膨胀被拘束的结果，塑性变形得以保留。冷却过程中，工件被缩短（缩短量约等于塑性变形量），从而达到所期望的在长度方向或外形上的一个变化。三个要素产生火焰矫正（图4）：加热 - 压缩塑性内部变形 - 收缩。相对于采用锤子锤击工件导致的机械延伸变形，使用火焰通常会导致工件的受热区域缩短。加热压缩塑性内部变形收缩图4：火焰矫正的原则FlameStraigteningWhitePaper_57266_12.indd903.06.1312:0210火焰矫正工艺的基础原理05. 可以采用火焰矫正哪些材料呢？与常见的焊接作业相同，在考虑材料特定性能的前提下，所有适用于焊接的材料都可以毫无困难地适用于火焰矫正。随着温度上升，所有金属性材料的弹性模量以及强度都会下降。相应的，材料的延展性将提升。（见图5）以S355材料为例，很明显，当该材料被加热到大于650°C时的火焰矫正温度基本没有什么意义。从650°C加热到950°C的300°C的温度提升需要使用双倍的加热时间，但是既没有必要也没有益处。对工件特定几个部位进行加热到其塑性变形的温度区间时，材料会因膨胀受拘束而产生塑性压缩内部变形。不同材料相对应地需要采用不同的火焰矫正温度（表2）。图5：碳钢材料S355的屈服极限以及断裂时的伸长率断裂强度应力 (N/mm2)温度 (°C)应变 (%)屈服极限母材被拉断时的伸长率600605005040040300302002010010000100200300400500600700FlameStraigteningWhitePaper_57266_12.indd1003.06.1312:0211火焰矫正工艺的基础原理表2：不同种材料对应的火焰矫正温度材料材料技术规范其它材料技术规范火焰矫正温度 [°C ]碳钢锅炉用钢S235JRS355JOP265GH16Mo313CrMo4-5600 … 800细晶粒结构钢热作模具钢S355NS890QLS355MS460M550 … 700镍基合金材料2.43602.46022.4856NiCu30FeNiCr21Mo14WNiCr22Mo9Nb650 … 800奥氏体不锈钢1.44041.43011.4541X2CrNiMo17-12-2X5CrNi18-10X6CrNiTi18-