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如何利用合理的焊接順序和方向來控制焊接殘余應力

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文章附圖

合理的焊接順序

1)先焊變形收縮量較大的焊縫,使基能較自由地收縮。


如一個帶蓋板的雙工字鋼構件見圖14,由于對接焊縫的收縮量大于角焊縫的收縮量,所以應先焊蓋板的對接焊縫1,后焊蓋板和工字梁之間的角焊縫2。

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2)先焊錯開的短焊縫,后焊直通長焊縫。


如一拼板結構見圖14b,應先焊焊縫1、2,后焊焊縫3。如相反,則由于焊縫1、2的橫向收縮受到限制,將產生很大的拉應力。


3)先焊在工作時愛力較大的焊縫,使內應力合理分布,見圖14c。


在接頭兩端留出一段翼緣角焊縫不焊,先焊受力最大的翼緣對接焊縫1,然后再焊腹板對接焊縫2,最后焊翼緣預留的角焊縫3。這樣,焊后可使翼緣的對接焊縫承受壓應力,腹板對接焊縫承受拉應力。角焊縫留在最后焊可以保證腹板對接焊縫有一定的收縮余地,同時也有利于在焊接翼緣對接焊縫時,可以采取反變形措施來防止產生角變形。


如何利用降低結構局部剛度來控制焊接殘余應力?


結構的剛度增加時,焊后的殘余應力將顯著加大。因此,在條件許可時,焊前采取一定的工藝措施,將焊接區域的局部剛度降低,將有效地減少焊接殘余應力。如一鑲塊結構的焊件,由于焊縫呈封閉形剛度較大,見圖15。


為減少焊接區域的局部剛度,可以將平板少量翻邊(圖15a),或將鑲塊壓凹(圖15b),焊接時由于焊縫能自由收縮(將平板或鑲塊拉平),使殘余應力大為減少。

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如何利用振動法來消除焊接殘余應力?

⑴振動法


利用偏心輪和變速電動機組成的激振器使焊接結構發生共振產生循環應力,可使焊接殘余應力逐漸降低,這種方法稱為振動法。振動法消除殘余應力的效果取決于激振器和構件支點的位置、激振頻率和時間。


其優點是所用設備簡單價廉、處理費用低、時間短,也沒有高溫回火時金屬表面氧化的問題,目前在生產中已得到廣泛應用。

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選擇一臺實用的振動時效設備才是最重要的,他關乎振動時效工藝可靠性,決定振動時效的效果,建議讀者考慮大品牌的廠家華云機電http://yingli.huawin.com,HK系列振動時效就很不錯。

如何利用錘擊焊縫區來控制焊接殘余應力?

焊接殘余應力產生的根本原因是,由于焊縫在冷卻過程中的縱向收縮和橫向收縮,因此焊后利用小錘輕敲焊縫及其鄰近區域,使金屬展開,能有效地減少焊接殘余應力,據測定,利用錘擊法可使應力減少1/2~1/4。


進行錘擊焊縫時,焊件溫度應當維持在100~150℃之間或在400℃以上,避免在200~300℃之間進行,因為此時金屬正處于藍脆性階段,若錘擊焊縫容易造成斷裂。


多層焊時,除第一層和最后一層焊縫外,每層都要錘擊。第一層不錘擊是為了避免產生根部裂紋,最后一層焊縫通常焊得很薄,主要是為了消除由于錘擊而引起的冷作硬化。

如何利用高溫回火來消除焊接殘余應力?

焊件用來消除焊接殘余應力的高溫回火分整體和局部兩種方式。

⑴整體高溫回火

將整個焊件放在爐中加熱到一定溫度然后保溫一段時間再冷卻。同一種材料,回火溫度越高,時間越長,殘余應力就消除得越徹底。通過整體高溫回火可以將80%~90%的殘余應力消除掉,這是生產中應用最廣泛的一種方法。


各種材料的回火溫度,見表8。含釩低合金鋼在600~620℃加回火后,塑性、韌性下降(回火脆性),回火溫度宜選550~560℃。

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回火時間隨焊件厚度而定,鋼按每毫米壁厚1~2min計算,但不宜低于30min,不必高于3h,因為殘余應力消除效率隨時迅速降低,過長的處理時間是不必要的。

⑵局部高溫回火


只對焊縫及其附近的局部區域進行加熱消除殘余應力。消除應力的效果不如整體高溫回火,但方法設備簡單。常用于比較簡單的、拘束度較小的焊接結構,如長筒形容器、管道接頭、長構件的對接頭等焊接殘余應力的消除。


局部高溫回火可采用氣體、紅外線、間接電阻或工頻感應加熱等。


如何利用機械接伸法來消除焊接殘余應力?


產生焊接殘余應力的根本原因是焊件焊后產生了壓縮殘余塑性變形。因此,焊后對焊件進行加載拉伸,產生拉伸塑性變形,它的方向和壓縮殘余變形相反,結果使壓縮殘余變形減小,因而焊件中的焊接殘余應力亦隨之同步減小。


機械拉伸消除應力法對于一些焊后需要進行液壓試驗的焊接容器特別有意義,因為液壓試驗時容器所承受的試驗壓力均大于容器的工作壓力,例如鋼制壓力容器其試驗壓力為容器工作壓力的1.25倍,所以容器在進行液壓試驗的同時,對容器材料進行了一次相當于機械拉伸的膨脹,從而通過液壓試驗,消除了部分焊接殘余應力。


如何利用溫差拉伸法來消除焊接殘余應力?


溫差拉伸法消除焊接殘余應力的基本原理與機械拉伸法相同,主要差別是利用局部加熱的溫差來拉伸焊縫區。


溫差拉伸法的具體方法是:


在焊縫兩側各用一個寬度適當的氧乙炔焰炬進行加熱,在焰炬后面一定距離,用一根帶有排孔的水管進行噴水冷卻。乙炔焰和噴水管以相同速度向前移動見圖16。這樣就形成了一個兩側溫度高(其峰值約為200℃、焊接區溫度低 (約為100℃)的溫度差。


兩側金屬受熱膨脹對溫度較低的區域進行拉伸,所以就可消除部分焊接殘余應力,據測定,消除的效果可達50%~70%。溫差拉伸法的參數,見表9。

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