焊接應力與焊接變形

焊接應力與焊接變形焊接應力與焊接變形一、焊接應力與焊接變形的基本知識二、焊接殘余應力與分布三、減少與消除殘余應力和措施一、焊接應力與焊接變形的基本知識我們已經(jīng)知道,焊縫由于有內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的缺陷和內(nèi)部應力的釋放、焊件將產(chǎn)生焊縫裂縫。同時,在焊接過程中,焊件受到不均勻的電弧加熱,受熱區(qū)域的金屬膨脹程度也就不同,此時產(chǎn)生的內(nèi)應力和變形是暫時的,但當焊接完畢待焊件完全冷卻后,剩余的內(nèi)應力和變形稱為殘余內(nèi)應力和變形。焊接內(nèi)應力的種類焊接后產(chǎn)生的內(nèi)應力簡稱焊接應力,根據(jù)其空間位置和相互關(guān)系可分以下幾種:單向應力焊接薄板的對接焊縫以及在焊件表面上堆焊時,焊件存在的應力是單方向的。雙向應力在焊接較厚板的對接焊縫時,焊件存在的應力雖不同向,但均在一個平面內(nèi),即應力是雙向的。三向應力當焊接厚大焊件的對接焊縫時,焊件存在的應力是沿空間三個方向作用的。當結(jié)構(gòu)焊件三個方向焊縫的交叉處亦有三向應力存在。根據(jù)焊接應力相對于焊縫的方向不同,可分為平行于焊縫的縱向應力和垂直于焊縫的橫向應力。單向應力對焊件的強度影響不大,有時不必采取特殊的方法消除它們。但當焊縫中存在雙向應力和三向應力時,焊縫金屬的強度和沖擊值都要顯著下降,容易產(chǎn)生裂縫。因此,在焊接厚件≥25mm時,焊后一般應對焊件進行熱處理,以消除三向應力。三個方向焊縫的,焊縫不應焊到交角的頂點,以避免三向應力的產(chǎn)生。焊接應力按其產(chǎn)生的原因,也可以分為焊接熱應力和組織應力。在船體焊接時,一般只考慮焊接熱應力。焊接變形的種類焊接變形的種類,按其對結(jié)構(gòu)影響的大小可分為下面兩種:整體變形整體變形是指整個結(jié)構(gòu)的形狀或尺寸發(fā)生變化。整體變形是由于焊縫在各個方向收縮所引起的。它包括直線變形、彎曲變形、扭曲變形等。如圖所示。直線變形是指結(jié)構(gòu)的長、寬、高尺寸的改變,按其方向又可分為縱向變形和橫向變形。縱向變形是指平行于焊縫方向的變形。橫向變形是指垂直于焊縫方向的變形。局部變形局部變形是指結(jié)構(gòu)的某種部分發(fā)生變形。它包括角變形和波浪變形兩種。焊后變形將嚴重影響到結(jié)構(gòu)的外形和它的承載能力,其中整體變形對結(jié)構(gòu)的影響較大,而局部變形的影響則較小。二、焊接殘余應力與分布焊接殘余應力和變形產(chǎn)生的主要原因是焊接時的不均勻加熱,近縫區(qū)的構(gòu)件在加熱和隨后冷卻過程中發(fā)生了塑性變形。受到焊接殘余應力的焊縫金屬的收縮變形有以下幾種情況:(一)縱向焊接殘余應力和變形(二)橫向焊接殘余應力和變形(三)彎曲變形(四)角變形(五)波浪變形(六)扭曲變形(一)縱向焊接殘余應力和變形長板對接接頭焊縫處受熱溫度較高,因此焊縫金屬有較大伸長,離焊縫金屬較遠的部位溫度較低,伸長則較小。鋼板中間溫度高的金屬受到兩邊溫度低的金屬限制,阻礙了它的自由伸長,因此這部分產(chǎn)生壓力。同時兩邊溫度低的金屬受到反作用力而產(chǎn)生應力,這時鋼板中存在壓應力和拉應力,并處于平衡,如有縱向微小縮短,數(shù)值都較小。對接接頭縱向殘余應力在焊縫橫截面上的分布情況板邊堆焊時的縱向殘余應力與變形不同長度焊縫縱截面上縱向殘余應力σχ的分布(二)橫向焊接殘余應力和變形根據(jù)實際生產(chǎn)中知,構(gòu)件焊后不僅會產(chǎn)生縱向焊接殘余應力和變形,同時還會產(chǎn)生橫向殘余應力和變形。在與焊縫軸線垂直的方向上,焊縫和熱影響區(qū)金屬在加熱過程中也要受到壓應力,并發(fā)生塑性變形,而冷卻后則存在焊接殘余應力和變形,這叫做焊接橫向殘余應力和變形。當兩塊鋼板在對接焊時,沿焊縫中心線向兩焊縫邊緣焊縫區(qū)將產(chǎn)生縱向壓縮,這種收縮的結(jié)果將使鋼板產(chǎn)生變形。但是,焊接接頭是由焊縫連接成一個不可分離的整體,結(jié)果在焊縫中部產(chǎn)生橫向拉應力,而焊縫兩端出現(xiàn)橫向壓應力。另外,我們又知由于一條焊縫不是在同一時內(nèi)完成,而總是要一段一段地逐步焊完,焊縫全長上的加熱時間不一致,同一時間內(nèi)各段受熱溫度不均勻,膨脹與收縮也不一致,因此這段與那段之間就形成了對自由變形的互相限制。先焊部分受到后焊焊縫橫向收縮的作用,而它又限制了后焊焊縫的橫向收縮,因此后焊焊縫末端受到拉應力作用,先焊部位受到壓應力作用。總的橫向應力是由上述兩部分應力合成的結(jié)果。對接焊縫的橫向收縮所引起的橫向應力分布比較復雜。當焊接方法、施焊方向、焊接程序、焊接線能量、外界剛性固定條件等稍有不同,則其應力分布也不同。當兩塊鋼板固定后進行接頭對接焊縫時,雖然變形較小,但應力值很大,可能引起裂縫,因此采用時要特別考慮這一點。分段退焊法和從中間向兩端焊(對稱焊法)較好,應力分布比較均勻,焊接變形較小。但是要注意在直通焊時,板材則往往由于受到很大的壓縮應力,喪失穩(wěn)定性而產(chǎn)生波浪變形。a)b)縱向收縮引起的橫向殘余應力σyˊ的分布c)a)b)不同長度平板對接焊時σyˊ的分布a)短焊縫b)中長焊縫c)長焊縫c)(三)彎曲變形焊接結(jié)構(gòu)的變形是由各種形式的變形綜合而成的,鋼材邊緣堆焊,除了縱向收縮變形外,同時也產(chǎn)生彎曲變形。板件接頭焊接時,對焊件的加熱是集中在邊緣一個很小的寬度內(nèi),加熱很均勻,而且無熱的傳導,也就是說,與加熱區(qū)鄰接的金屬是冷的。加熱區(qū)金屬膨脹,如焊件不太大,就會在膨脹力作用下產(chǎn)生彎曲,而在加熱區(qū)產(chǎn)生壓縮塑性變形。而冷卻后,這加熱部分金屬受到拉應力作用,它的反作用力也就使焊件發(fā)生反向彎曲。彎曲變形的大小以撓度的數(shù)值來度量,而撓度的大小與焊件的長度成正比?？v向收縮可造成彎曲變形,橫向收縮也可以造成彎曲變形。橫向收縮變形對彎曲的影響也是不容忽視的。事實上,焊接時焊件的彎曲變形是綜合的,它是由縱向彎曲變形和橫向彎曲變形綜合而成的。彎曲變形與加熱引起的壓縮塑性變形區(qū)寬度、焊縫離構(gòu)件重心的距離以及構(gòu)件的剛性等有密切關(guān)系。構(gòu)件的剛性,是它抵抗變形的能力,主要決定于結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸的大小。在其他條件相同時,增加焊件的剛性,將有利于減小彎曲變形。(四)角變形焊縫沿厚度方向加熱不均勻以及各層焊縫的收縮不一致,都會使板材繞焊縫軸線旋轉(zhuǎn)一個角度,這種現(xiàn)象稱為角邊形。厚板焊接時,焊接的一面溫度高,另一面溫度低,因此,溫度高的一面產(chǎn)生的壓縮塑性變形大,溫度低的一面則小。冷卻時則在板的厚度上發(fā)生各層焊縫收縮不均勻現(xiàn)象,焊接的一面收縮大,另一面收縮小,所以容易產(chǎn)生角變形。角變形的大小與焊接規(guī)范、接頭型式、坡口角度等因素有關(guān)。如果焊縫區(qū)域加熱能量大,對薄板來說,降低了角變形;對較厚板來說,角變形反而增加;但當焊件厚度很大時,由于其剛性增大很多,角變形又會減小。坡口角度和坡口形狀對角變形影響較大。坡口角度越大,上下橫向收縮量的差別越大,角變形也就越大。不同的施焊方法,其最終的角變形也不一樣。采用多層焊要比單層焊時的角變形大。(五)波浪變形波浪變形主要出現(xiàn)在薄板焊接結(jié)構(gòu),產(chǎn)生的原因一種是由于焊縫的縱向縮短對薄板邊緣造成的壓應力;另一種是由于焊縫橫向縮短所造成的角變形。在船體結(jié)構(gòu)中有很多是平面板材,如甲板、內(nèi)底版、舷側(cè)外板等,往往大面積拼板焊接時便顯得板薄、剛性不夠,在壓縮應力過大的情況下,板材就會喪失穩(wěn)定性而出現(xiàn)波浪變形。(六)扭曲變形裝配質(zhì)量不好,工件擱置不當以及焊接程序和焊接方向不合理,都可能引起扭曲變形。產(chǎn)生這種變形的根本原因就是焊后焊縫的縱向和橫向縮短引起各種形式的變形和焊接殘余應力。在焊接結(jié)構(gòu)中,焊接殘余應力與變形之間的關(guān)系是一個矛盾的兩個方面。如果在焊接過程中焊件能夠自由地收縮,則焊后焊件的變形較大而焊接應力較小,如果焊接過程中焊件受外界約束或自身剛性較大而不能自由收縮,則焊后焊件變形小,但其內(nèi)部存在較大的焊接殘余應力。我們在實際生產(chǎn)中要善于掌握和應用結(jié)構(gòu)焊接殘余應力和變形的基本理論,在實際生產(chǎn)中采取有效的工藝措施,以利于控制船體結(jié)構(gòu)的焊接變形和焊接殘余應力狀態(tài),從而提高船舶的建造質(zhì)量。三、減少與消除殘余應力和措施當船體結(jié)構(gòu)經(jīng)焊接后的變形若超過允許范圍,則會使結(jié)構(gòu)承受載荷的能力降低,或使其外形受到影響。在船體線型復雜,同時又是板材結(jié)構(gòu),如果焊接時不采取一定的措施,便容易產(chǎn)生變形。船體的變形不但影響船型外表美觀,更會增加船舶航行阻力,降低了船舶的航行性能,同時也會大大降低船體結(jié)構(gòu)強度。因此,對船體結(jié)構(gòu)焊接變形應引起足夠的重視。在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中,常常采取如下的生產(chǎn)工藝措施以防止和減少焊接殘余應力與變形。(1)選擇合理的裝配和焊接程序盡可能考慮焊縫的自由收縮對于大型船結(jié)構(gòu)的焊接應從中間向四周對稱進行。如工字梁在對焊接時,無論先焊面板或是腹板的接頭,橫向收縮會在角焊縫內(nèi)引起很大應力,甚至產(chǎn)生裂縫,所以應設法使它能自由收縮。為此可采取將角焊縫留出一段后焊,使對接接頭的橫向收縮能自由地進行。收縮量大的焊縫先焊對帶筋板的工字梁,如先進行面板和腹板的焊接,再焊筋板的角焊縫,則由于角焊縫的橫向收縮很大,會在面板和腹板的角焊縫內(nèi)造成很大的焊接應力。采取對稱焊接對于剛性大而斷面對稱的構(gòu)件,施焊時可采用對稱的焊接程序,這對于保證構(gòu)件得到最小的彎曲變形是十分有利的。對稱布置的焊縫,應采用雙數(shù)焊工對稱的進行焊接。采用焊縫的不同焊接法在焊接長焊縫(≥1m)時,可采用分斷退焊法、分中分段退焊法、跳焊法、交替焊法;對中等長度(0.5~1m)的焊縫可采用分中對稱焊法。(2)反變形法所謂反變形法,就是根據(jù)焊后變形的情況,預先給以一個方向相反、大小相等的變形,使構(gòu)件焊后變形很小甚至完全消失。采用此法時,應預先確定反變形的數(shù)值,以便達到消除焊后變形的目的。反變形的數(shù)值,一般是憑經(jīng)驗進行估算。(3)剛性固定法由于剛性大的船體構(gòu)件焊后變形小,因此,如果焊前加強構(gòu)件的剛性,同樣也可以減小焊接變形。所以,剛性固定法是采用強制手段來減小構(gòu)件焊后變形的有效辦法,在船廠亦普遍應用。剛性固定是一般采用定位焊或簡單工夾具將構(gòu)件固定在平臺或胎架上以達到減小變形的目的。剛性固定法只適用塑性好的材料,特別是低碳鋼。對于脆性較大的和容易淬火而變硬脆的中碳鋼等材料不宜采用剛性固定法進行結(jié)構(gòu)焊接,否則易導致焊縫產(chǎn)生裂縫。(4)散熱法散熱法又稱強迫冷卻法,是將散熱物體放置在焊接區(qū)域的周圍,使焊件迅速冷卻借以減小焊接受熱區(qū)域,使變形減小。但是,這種方法對淬火傾向較大的材料易產(chǎn)生冷淬而出現(xiàn)焊接裂紋。(5)機械矯正法機械矯正法就是對焊縫及其周圍區(qū)域施加外力,可以減小收縮應力和變形。其原理是利用焊縫及其周圍金屬受外力后產(chǎn)生塑性變形,而將已產(chǎn)生收縮的焊縫纖維伸長,從而減小了構(gòu)件的可見變形和應力。機械矯正最好在熱狀態(tài)下進行,這時的金屬具有較高的塑性。對于低碳鋼構(gòu)件焊縫機械矯正的最佳溫度在150~200℃左右。(6)預熱法焊件在焊前加熱能減小焊件的溫度差,并降低焊后的冷卻速度,從而減小焊接應力。焊件焊前預熱可根據(jù)焊件的大小和施工條件,采取局部預熱或整體預熱。預熱溫度的大小主要根據(jù)焊件的材料性質(zhì),厚度以及周圍環(huán)境的溫度等綜合來考慮。(7)回火