控制焊接残余应力的有效方法

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：焊接残余应力可以从设计和工艺两方面控制。对于厚板多道焊焊缝，选择小的焊接参数进行多层多道焊，并控制道间和层间温度，能有效减小焊接残余应力。在焊接封闭环焊缝或其他刚性较大、自由度较小的焊缝时，可采取反变形措施，可以有效地控制焊接残余应力，如图5-11所示。

焊接残余应力可以从设计和工艺两方面控制。

（一）设计方面

应该在保证结构件有足够强度的前提下，尽量减少结构的刚性，采用全焊透的对接接头，有不等厚的要削薄圆滑过渡，减少焊接接头的数量、长度和尺寸，优先选用焊接性能好、韧性高的母材和焊材。焊接接头尽量对称于结构件截面的中心轴布置，避免密集和交叉布置。如GB150中规定筒节长度应不小于300mm，相邻筒节A类接头焊缝中间外圆弧长应大于板厚的3倍且不小于100mm；重要的T形结构采用根部焊透或深熔透结构；不在焊接接头上开孔；采用焊接接头系数（焊接接头系数指对接焊接的接头强度与母材强度的比值）为1的焊接接头，对接焊接接头要求100％射线检测；控制焊缝咬边深度和长度等；角焊缝凹形圆滑过渡；选择合理的焊接接头形式，将焊接接头布置在结构件最大应力区之外。

（二）工艺方面

1.焊前预热

焊前预热可使焊接接头的金属温差减少，减缓焊后冷却速度，从而降低焊接应力。

预热分整体预热法和局部预热法（包括加热减应区法）。局部预热法指焊接前，在结构件适当部位进行加热，如图5-8所示，使此部位伸长，在焊后冷却时，加热区和焊接接头的收缩方向相同，从而降低内应力。

图5-8 断口焊前预热

2.选择合理的组焊顺序和方向

施焊前，应考虑焊缝尽可能自由收缩以减小结构的拘束度。厚板焊接时，可采用多层多道焊。焊接长焊缝或大型结构件时焊接顺序应从中间向两端或四周顺序进行焊接。如锅炉管板与管束、冷凝器和换热器的管板焊接宜采用放射交叉式的焊接顺序，如图5-9b所示。对于多焊接接头，焊缝收缩量不同时应先焊收缩量大的焊接接头，如图5-9c所示。在结构上同时存在对接接头和角接接头时，就先焊对接接头，如盖板对接的工字梁，因为盖板对接焊缝的横向收缩量大，必须先焊，然后再焊接主角焊缝，图5-10所示。装配焊接复杂多样的结构，应根据结构件的不同特点，分成几个简单部件，分别装配焊接后再总装焊接。结构上对称的焊缝，应对称施焊，使其变形能相互抵消一部分。焊缝布置不对称的结构，如焊缝分布在中性轴一侧，则可先焊靠近中性轴的焊缝，然后焊接远离中性轴的焊缝。一般应遵循先焊对接焊缝，再焊角接焊缝；先焊短焊缝再焊长焊缝；先焊纵焊缝，再焊环焊缝；先焊间隙小的焊缝，再焊间隙大的焊缝；先焊变形小的焊缝，再焊变形大的焊缝等原则

图5-9 采取合理的焊接顺序和方向

3.选择合理的焊接参数

在保证焊接质量的前提下，尽量选用较小的焊接电流和较快的焊接速度，减小焊接热输入以减少工件的受热范围。对于厚板多道焊焊缝，选择小的焊接参数进行多层多道焊，并控制道间和层间温度，能有效减小焊接残余应力。

4.预制反变形法

预制反变形法指通过预先留出焊缝能够自由收缩的余量，使焊缝能够在一定程度上收缩，从而降低焊接残余应力。在焊接封闭环焊缝或其他刚性较大、自由度较小的焊缝时，可采取反变形措施，可以有效地控制焊接残余应力，如图5-11所示。

图5-10 工字梁盖板对接焊缝和主角焊缝的焊接顺序

5.锤击焊缝

每焊完一道焊缝，在焊缝冷却的同时用圆头小锤均匀地锤击焊缝使之延展，可以减小焊接残余应力。锤子重量为0.5kg左右，锤端带有R10mm左右的圆角，锤击时焊缝的温度应在300℃以上或100～150℃左右的范围内，不宜在200～300℃（蓝脆温度）温度区间进行。多层焊时，第一层和最后一层不宜锤击以免影响质量，其余每层都要锤击锤击时力度应保持均匀、适度。第一层不宜锤击是为了防止引起根部裂纹，最后一层不宜锤击是为了防止冷加工效应可能引起缺口冲击韧度的降低及影响表面质量。

图5-11 反变形法

6.减小氢的存在

为了减小氢致应力集中，尽可能选择低氢型碱性焊接材料，焊接材料应严格按要求烘焙后使用，并且对焊接区域及其附近采取预热、打磨等措施，去除水分、油污、铁锈等有害物质。有必要时焊后对接头进行消氢处理，方法是加热到300～350℃，保温2h，这样有利于扩散氢的逸出。

控制焊接残余应力的有效方法

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