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如何消除或減小焊接殘余應力:減小焊接殘余應力的工藝措施有

焊接殘余應力是焊接結束後殘留在焊件內的應力,殘余應力對焊接結構的強度、腐蝕和尺寸穩定性等使用性能造成影響。雖然在結構設計時,考慮了殘余應力的問題,在工藝上也采取了壹定的措施來防止或減小焊接殘余應力,但由於焊接應力的復雜性,結構焊接完以後仍然可能存在較大的殘余應力。另外,有些結構在裝配過程中還可能產生新的殘余應力,這些焊接殘余應力及裝配應力都會影響結構的使用性能。常用的消除或減小殘余應力的方法,有以下幾種。

壹、熱處理法

熱處理法是利用材料在高溫下屈服點下降和蠕變現象,達到松弛焊接殘余應力的目的。同時,熱處理還可改善焊接接頭的性能。生產中常用的熱處理法,有整體熱處理和局部熱處理兩種。

1.整體熱處理

將整個結構件緩慢加熱到壹定的溫度(低碳鋼為650℃),並在該溫度下保溫壹定的時間(壹般按每mm板厚保溫2-4min,但總時間不少於30min),然後空冷或隨爐冷卻。整體熱處理消除殘余應力的效果取決於加熱溫度、保溫時間、加熱和冷卻速度、加熱方法和加熱範圍,壹般可消除60%-90%的殘余應力,在生產中應用比較廣泛。

2.局部熱處理

對於某些不允許或不可能進行整體熱處理的焊接結構,可采用局部熱處理。局部熱處理就是對構件焊縫周圍的局部應力很大的區域及其周圍,緩慢加熱到壹定溫度後保溫,然後緩慢冷卻,其消除應力的效果不如整體熱處理,它只能降低殘余應力峰值,不能完全消除殘余應力。對於壹些大型筒形容器的組裝環縫和壹些重要管道等,常采用局部熱處理來降低結構的殘余應力。例如,在鋪設熱力管道的過程中,焊接結束時常采用氧乙炔焰對焊縫進行局部加熱,來降低焊接部位的殘余應力。

二、機械拉伸法

機械拉伸法是通過不同方式在構件上施加壹定的拉伸應力,使焊縫及其附近產生拉伸塑性變形,與焊接時在焊縫及其附近所產生的壓縮塑性變形相互抵消壹部分,以達到松弛殘余應力的目的。實踐證明,拉伸載荷加的越高,壓縮塑性變形量就抵消得越多,殘余應力消除得越徹底。在壓力容器制造的最後階段,通常要進行水壓試驗,其目的之壹也是利用加載來消除部分殘余應力。

1.溫差拉伸法

溫差拉伸法的基本原理與機械拉伸法相同,其不同點是機械拉伸法采用外力進行拉伸,而溫差拉伸法是采用局部加熱形成的溫差來拉伸壓縮塑性變形區。做法通常是在焊縫兩側各用壹適當寬度(壹般為100-150mm)的氧乙炔焰嘴加熱焊件,將焊件表面加熱到200℃左右,在焰嘴後面壹定距離用水管噴頭冷卻,以造成兩側溫度高、焊縫區溫度低的溫度場。兩側金屬的熱膨脹對中間溫度較低的焊縫區進行拉伸,產生拉伸塑性變形抵消焊接時所產生的壓縮塑性變形,從而達到消除殘余應力的目的。如果加熱溫度和加熱範圍選擇適當,消除應力的效果可達50%-70%。

2.錘擊焊縫

在焊後用手錘或壹定直徑的半球形風錘錘擊焊縫,可使焊縫金屬產生延伸變形,能抵消壹部分壓縮塑性變形,起到減小焊接應力的作用。錘擊時,註意施力應適度,以免施力過大而產生裂紋。

三、震動法

利用由偏心輪和變速電動機組成的激振器,使結構發生***振所產生的循環應力來降低內應力。震動法所用設備簡單、價廉,節省能源,處理費用低,時間短,也沒有高溫回火時金屬表面氧化等問題。所以,目前在焊件、鑄鍛件中,為了提高尺寸穩定性,較多采用該方法。

總之,焊接過程是壹個不均勻加熱和冷卻過程,焊接結構必然存在焊接殘余應力和變形,這不僅影響焊接結構的外型尺寸和外觀質量,也會給焊後的繼續加工帶來很多麻煩,甚至直接影響焊接結構的強度。所以,根據焊接結構的不同情況,合理選擇消除或減小焊接殘余應力的方法,顯得尤為重要。

(作者單位:河北省遷安市職業技術教育中心)