焊接应力与焊接变形

焊接应力与焊接变形
一、焊接应力与焊接变形的基本知识二、焊接残余应力与分布三、减少与消
除残余应力和措施
一、焊接应力与焊接变形的基本知识我们已经知道,焊缝由于有内部结构上的缺陷和内部应力的释放、焊件将产生焊缝裂缝。

同时,在焊接过程中,焊件受到不均匀的电弧加热,受热区域的金属膨胀程度也就不同,此时产生的内应力和变形是暂时的,但当焊接完毕待焊件完全冷却后,剩余的内应力和变形称为残余内应力和变形。

焊接内应力的种类焊接后产生的内应力简称焊接应力,根据其空间位置和相互关系可分以下几种:单向应力焊接薄板的对接焊缝以及在焊件表面上堆焊时,焊件存在的应力是单方向的。

双向应力在焊接较厚板的对接焊缝时,焊件存在的应力虽不同向,但均在一个平面内,即应力是双向的。

三向应力当焊接厚大焊件的对接焊缝时,焊件存在的应力是沿空间三个方向作用的。

当结构焊件三个方向焊缝的交叉处亦有三向应力存在。

根据焊接应力相对于焊缝的方向不同,可分为平行于焊缝的纵向应力和垂直于焊缝的横向应力。

单向应力对焊件的强度影响不大,有时不必采取特殊的方法消除它们。

但当焊缝中存在双向应力和三向应力时,焊缝金属的强度和冲击值都要显著下降,容易产生裂缝。

因此,在焊接厚件≥25mm时,焊后一般应对焊件进行热处理,以消除三向应力。

三个方向焊缝的,焊缝不应焊到交角的顶点,以避免三向应力的产生。

焊接应力按其产生的原因,也可以分为焊接热应力和组织应力。

在船体焊接时,一般只考虑焊接热应力。

焊接变形的种类焊接变形的种类,按其对结构影响的大小可分为下面两种:整
体变形整体变形是指整个结构的形状或尺寸发生变化。

整体变形是由于焊缝在各个方向收缩所引起的。

它包括直线变形、弯曲变形、扭曲变形等。

如图所示。

直线变形是指结构的长、宽、高尺寸的改变,按其方向又可分为纵向变形和横向变形。

纵向变形是指平行于焊缝方向的变形。

横向变形是指垂直于焊缝方向的变形。

局部变形局部变形是指结构的某种部分发生变形。

它包括角变形和波浪变形两种。

焊后变
形将严重影响到结构的外形和它的承载能力,其中整体变形对结构的影响较大,而局部变形的影响则较小。

二、焊接残余应力与分布焊接残余应力和变形产生的主要原因是焊接时的不均匀加热,近缝区的构件在加热和随后冷却过程中发生了塑性变形。

受到焊接残余应力的焊缝金属的收缩变形有以下几种情况:(一)纵向焊接残余应力和变形(二)横向焊接残余应力和变形(三)弯曲变形(四)角变形(五)波浪变形(六)扭曲变形
(一)纵向焊接残余应力和变形长板对接接头焊缝处受热温度较高,因此焊缝金属有较大伸长,离焊缝金属较远的部位温度较低,伸长则较小。

钢板中间温度高的金属受到两边温度低的金属限制,阻碍了它的自由伸长,因此这部分产生压力。

同时两边温度低的金属受到反作用力而产生应力,这时钢板中存在压应力和拉应力,并处于平衡,如有纵向微小缩短,数值都较小。

对接接头纵向残余应力在焊缝横截面上的分布情况
板边堆焊时的纵向残余应力与变形
不同长度焊缝纵截面上纵向残余应力σχ的分布
(二)横向焊接残余应力和变形根据实际生产中知,构件焊后不仅会产生纵向焊接残余应力和变形,同时还会产生横向残余应力和变形。

在与焊缝轴线垂直的方向上,焊缝和热影响区金属在加热过程中也要受到压应力,并发生塑性变形,而冷却后则存在焊接残余应力和变形,这叫做焊接横向残余应力和变形。

当两块钢板在对接焊时,沿焊缝中心线向两焊
缝边缘焊缝区将产生纵向压缩,这种收缩的结果将使钢板产生变形。

但是,焊接接头是由焊缝连接成一个不可分离的整体,结果在焊缝中部产生横向拉应力,而焊缝两端出现横向压应力。

另外,我们又知由于一条焊缝不是在同一时内完成,而总是要一段一段地逐步
焊完,焊缝全长上的加热时间不一致,同一时间内各段受热温度不均匀,膨胀与收缩也不一致,因此这段与那段之间就形成了对自由变形的互相限制。

先焊部分受到后焊焊缝横向收缩的作用,而它又限制了后焊焊缝的横向收缩,因此后焊焊缝末端受到拉应力作用,先焊部位受到压应力作用。

总的横向应力是由上述两部分应力合成的结果。

对接焊缝的横向收缩所引起的横向应力分布比较复杂。

当焊接方法、施焊方向、焊接程序、焊接线能量、外界刚性固定条件等稍有不同,则其应力分布也不同。

当两块钢板固定后进行接头对接焊缝时,虽然变形较小,但应力值很大,可能引起裂缝,因此采用时要特别考虑这一点。

分段退焊法和从中间向两端焊(对称焊法)较好,应力分布比较均匀,焊接变形较小。

但是要注意在直通焊时,板材则往往由于受到很大的压缩应力,丧失稳定性而产生波浪变形。

a)
b)
纵向收缩引起的横向残余应力σyˊ的分布
c)
a)
b)
不同长度平板对接焊时σyˊ的分布 a)短焊缝 b)中长焊缝 c)长焊缝
c)
(三)弯曲变形焊接结构的变形是由各种形式的变形综合而成的,钢材边缘堆焊,除了纵向收缩变形外,同时也产生弯曲变形。

板件接头焊接时,对焊件的加热是集中在边缘一个很小的宽度内,加热很均匀,而且无热的传导,也就是说,与加热区邻接的
金属是冷的。

加热区金属膨胀,如焊件不太大,就会在膨胀力作用下产生弯曲,而在加热区产生压缩塑性变形。

而冷却后,这加热部分金属受到拉应力作用,它的反作用力也就使焊件发生反向弯曲。

弯曲变形的大小以挠度的数值来度量,而挠度的大小与焊件的长度成正比。

纵向收缩可造成弯曲变形,横向收缩也可以造成弯曲变形。

横向收缩变形对弯曲的影响也是不容忽视的。

事实上,焊接时焊件的弯曲变形是综合的,它是由纵向弯曲变形和横向弯曲变形综合而成的。

弯曲变形与加热引起的压缩塑性变形区宽度、焊缝离构件重心的距离以及构件的刚性等有密切关系。

构件的刚性,是它抵抗变形的能力,主要决定于结构的形状和尺寸的大小。

在其他条件相同时,增加焊件的刚性,将有利于减小弯曲变形。

(四)角变形焊缝沿厚度方向加热不均匀以及各层焊缝的收缩不一致,都会使板材绕焊缝轴线旋转一个角度,这种现象称为角边形。

厚板焊接时,焊接的一面温度高,另一面温度低,因此,温度高的一面产生的压缩塑性变形大,温度低的一面则小。

冷却时则在板的厚度上发生各层焊缝收缩不均匀现象,焊接的一面收缩大,另一面收缩小,所以容易产生角变形。

角变形的大小与焊接规范、接头型式、坡口角度等因素有关。

如果焊缝区域加热能量大,对薄板来说,降低了角变形;对较厚板来说,角变形反而增加;但当焊件厚度很大时,由于其刚性增大很多,角变形又会减小。

坡口角度和坡口形状对角变形影响较大。

坡口角度越大,上下横向收缩量的差别越大,角变形也就越大。

不同的施焊方法,其最终的角变形也不一样。

采用多层焊要比单层焊时的角变形大。

(五)波浪变形波浪变形主要出现在薄板焊接结构,产生的原因一种是由于焊缝的纵向缩短对薄板边缘造成的压应力;另一种是由于焊缝横向缩短所造成的角变形。

在船体结构中有很多是平面板材,如甲板、内底版、舷侧外板等,往往大面积拼板焊接时便显得板
薄、刚性不够,在压缩应力过大的情况下,板材就会丧失稳定性而出现波浪变形。

(六)扭曲变形装配质量不好,工件搁置不当以及焊接程序和焊接方向不合理,都可能引起扭曲变形。

产生这种变形的根本原因就是焊后焊缝的纵向和横向缩短引起各种形式的变形和焊接残余应力。

在焊接结构中,焊接残余应力与变形之间的关系是一个矛盾的两个方面。

如果在焊接过程中焊件能够自由地收缩,则焊后焊件的变形较大而焊接应力较小,如果焊接过程中焊件受外界约束或自身刚性较大而不能自由收缩,则焊后焊件变形小,但其内部存在较大的焊接残余应力。

我们在实际生产中要善于掌握和应用结构焊接残余应力和变形的基本理论,在实际生产中采取有效的工艺措施,以利于控制船体结构的焊接变形和焊接残余应力状态,从而提高船舶的建造质量。

三、减少与消除残余应力和措施当船体结构经焊接后的变形若超过允许范围,则会使结构承受载荷的能力降低,或使其外形受到影响。

在船体线型复杂,同时又是板材结构,如果焊接时不采取一定的措施,便容易产生变形。

船体的变形不但影响船型外表美观,更会增加船舶航行阻力,降低了船舶的航行性能,同时也会大大降低船体结构强度。

因此,对船体结构焊接变形应引起足够的重视。

在焊接结构生产中,常常采取如下的生产工艺措施以防止和减少焊接残余应力与变形。

(1)选择合理的装配和焊接程序尽可能考虑焊缝的自由收缩对于大型船结构的焊接应从中间向四周对称进行。

如工字梁在对焊接时,无论先焊面板或是腹板的接头,横向收缩会在角焊缝内引起很大应力,甚至产生裂缝,所以应设法使它能自由收缩。

为此可采取将角焊缝留出一段后焊,使对接接头的横向收缩能自由地进行。

收缩量大的焊缝先焊对带筋板的工字梁,如先进行面板和腹板的焊接,再焊筋板的角焊缝,则由于角焊缝的横向收缩很大,会在面板和腹板的角焊缝内造成很大的焊接应力。

采取对称焊接对于刚性大而断面对称的构件,施焊时可采用对称的焊接程序,这对于保证构件得到最小的弯曲变形是十分有利的。

对称布置的焊缝,应采用双数焊工对称的进行焊接。

采用焊缝的不同焊接法在焊接长焊缝(≥1m)时,可采用分断退
焊法、分中分段退焊法、跳焊法、交替焊法;对中等长度(0.5~ 1m)的焊缝可采用分中对称焊法。

(2)反变形法所谓反变形法,就是根据焊后变形的情况,预先给以一个方向相反、大小相等的变形,使构件焊后变形很小甚至完全消失。

采用此法时,应预先确定反变形的数值,以便达到消除焊后变形的目的。

反变形的数值,一般是凭经验进行估算。

(3)刚性固定法由于刚性大的船体构件焊后变形小,因此,如果焊前加强构件的刚性,同样也可以减小焊接变形。

所以,刚性固定法是采用强制手段来减小构件焊后变形的有效办法,在船厂亦普遍应用。

刚性固定是一般采用定位焊或简单工夹具将构件固定在平台或胎架上以达到减小变形的目的。

刚性固定法只适用塑性好的材料,特别是低碳钢。

对于脆性较大的和容易淬火而变硬脆的中碳钢等材料不宜采用刚性固定法进行结构焊接,否则易导致焊缝产生裂缝。

(4)散热法散热法又称强迫冷却法,是将散热物体放置在焊接区域的周围,使焊件迅速冷却借以减小焊接受热区域,使变形减小。

但是,这种方法对淬火倾向较大的材料易产生冷淬而出现焊接裂纹。

(5)机械矫正法机械矫正法就是对焊缝及其周围区域施加外力,可以减小收缩应力和变形。

其原理是利用焊缝及其周围金属受外力后产生塑性变形,而将已产生收缩的焊缝纤维伸长,从而减小了构件的可见变形和应力。

机械矫正最好在热状态下进行,这时的金属具有较高的塑性。

对于低碳钢构件焊缝机械矫正的最佳温度在150~200℃左右。

(6)预热法焊件在焊前加热能减小焊件的温度差,并降低焊后的冷却速度,从而减小焊接应力。

焊件焊前预热可根据焊件的大小和施工条件,采取局部预热或整体预热。

预热温度的大小主要根据焊件的材料性质,厚度以及周围环境的温度等综合来考虑。

(7)回火法
焊件焊好后,将焊件整体放入加热炉中,并
以≤25~60℃的升温速度进行加热。

低碳钢焊件加热在600~650℃左右,并保
温一定时间,然后与炉子一起冷至50~60℃,焊件才出炉。

当焊件尺寸大而不能进行
整体回火时,可局部回火,此时,回火后应缓慢地冷却。

此法是用氧—乙炔火焰喷嘴加热在焊缝两侧,构件表面加热至200℃左右。

在火焰嘴后面一定距离,喷水冷却,造成加热区与焊缝区之间一定温度差,使焊缝区金属被拉长,而达到部分消除焊缝拉伸内应力的目的。

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