薄板焊接應(yīng)力與焊接變形

張衡

摘 要：本文研究了薄板板材焊接應(yīng)力，焊接變形與焊接電流，焊接電壓和板尺寸的關(guān)系。隨著焊接線能量的增加，薄板板材的縱向和橫向收縮變形增大。隨著板長度的增加，板的縱向殘余變形減小，厚度方向的抗彎性增加，橫向變形增加。在焊接板之后，焊縫處的拉應(yīng)力和靠近焊縫金屬的基材處的壓應(yīng)力增加，焊接線和板的其他部分的能量越大，殘余應(yīng)力也越大。

關(guān)鍵詞：焊接應(yīng)力；焊接變形；鎢極氬弧焊（TIG）；控制措施

1、焊接殘余應(yīng)力測量與分析

條形切割是一種常見的應(yīng)力釋放方法。根據(jù)應(yīng)力釋放和邊界效應(yīng)原理確定焊接接頭的殘余內(nèi)應(yīng)力，測量結(jié)果相對穩(wěn)定而且準(zhǔn)確。為了測量平行于焊縫的縱向殘余應(yīng)力，沿鋸切應(yīng)力的截面形成新的端面，以垂直于焊縫進(jìn)行測量。因為端面不再受垂直于面的方向的約束，所以端面附近的金屬中的大部分應(yīng)力被釋放。

1.1應(yīng)變片測量應(yīng)變電路

10個工作應(yīng)變儀的引線（實際上是12個）連接在一起，稱為公共線，B（B的內(nèi)部連接）；工件的另一個引出線連接到端子柱A，即a1，a2，...，a10；補(bǔ)償器的兩根引線連接到端子B和C，并且c1，c2，...和c10短接。通常，常用的補(bǔ)償器可以補(bǔ)償6-8個工作應(yīng)變計。應(yīng)變計型號為BX120-5AA，標(biāo)稱電阻為119.8+0.1Ω，靈敏度系數(shù)為K=2.08+1%。

1.2應(yīng)變片粘貼

當(dāng)應(yīng)變計應(yīng)用到實驗過程中時，可以用酒精來清理表面的氧化物和油脂等影響實驗精度的物質(zhì)。在測量應(yīng)力的關(guān)鍵部位使用鐵紗布打磨，一直到光潔度能達(dá)到▽4左右，同樣也需要用酒精進(jìn)行清潔工作。用快干絕緣膠或502膠粘劑，使電阻應(yīng)變計牢固地固定在試驗板的每個測量點上，接頭試驗板僅安裝在縱軸和橫軸上。應(yīng)選擇具有相同電阻的電阻應(yīng)變計進(jìn)行安裝。方便在以下測量過程中調(diào)整平衡，貼片后24小時自然干燥。用數(shù)字萬用表檢查電阻器的焊膏質(zhì)量。對于引線和應(yīng)變儀的測試板之間的絕緣電阻要求應(yīng)該在200Ω以上。采用錫焊的方式連接應(yīng)變片的引線和導(dǎo)線，然后用電絕緣膠帶將其固定在測試板上，保證導(dǎo)線和鋁板處于絕緣狀態(tài)。

1.3 測量結(jié)果與分析

薄板材料為6061薄板，厚度為2毫米。用交流手動TIG焊絲焊接，在焊接過程中，焊縫擴(kuò)大，焊接區(qū)域發(fā)生壓縮塑性變形。當(dāng)焊縫在焊接后冷卻時，焊縫應(yīng)收縮并受到焊縫周圍的基底金屬的約束，使焊縫不能自由收縮，焊縫附近的焊縫根據(jù)作用原理受到拉應(yīng)力在力和反作用力下，焊接區(qū)域附近的焊縫受到壓應(yīng)力。實驗中使用的薄板板是薄板（2mm）。在焊接過程中，傾向于發(fā)生板的彎曲變形和上拱的不穩(wěn)定性。

當(dāng)焊接電流保持不變時，隨著焊接速度的增加，熱輸入下降，焊接后縱向殘余應(yīng)力減小。結(jié)果表明，焊接熱輸入是影響焊后殘余應(yīng)力的重要因素。隨著焊接速度的降低，焊接后的縱向殘余應(yīng)力變大。

2、焊接應(yīng)力的控制

2.1設(shè)計措施

盡可能減少焊縫的數(shù)量和尺寸。盡量選用型鋼和大型鋼板，采用填充金屬較少的溝槽形式。避免焊縫布置過度集中。焊縫應(yīng)保持足夠的距離。盡可能避免三向交叉焊縫。三維拉應(yīng)力很容易由交叉焊接引起，這降低了接頭的可塑性。

采用剛度較小的接頭。使用法蘭而不是嵌入式管道連接可以使焊縫自由收縮。合理安排焊縫。焊縫不盡可能布置在工作應(yīng)力最嚴(yán)重的區(qū)域。盡可能對稱布置，連接過渡平穩(wěn)，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象。避免反向焊接。結(jié)構(gòu)整體剛度應(yīng)連續(xù)均勻，剛度變化應(yīng)小，應(yīng)避免幾何不連續(xù)。C形結(jié)構(gòu)的內(nèi)翼應(yīng)加強(qiáng)。三角肋頂端的應(yīng)力集中距離尖端最大10 mm。。

2.2工藝措施

2.2.1焊前預(yù)熱、焊后保溫

焊接前預(yù)熱焊縫周圍材料主要是為了減少焊縫各部分的溫差，降低焊縫的冷卻速度和均勻收縮，從而減少焊接應(yīng)力和變形。預(yù)熱溫度通常不高于400攝氏度。切割扭矩火焰可用于預(yù)熱，之后可用石棉保溫。

2.2.2選擇合理的焊接順序和方向

①先焊接變形收縮率大的焊縫可以讓其自由收縮。在面對有對接焊縫和角接焊縫時，應(yīng)首先選擇對接焊縫。

②先焊接交錯短焊縫，然后焊接直長焊縫。

③在實際的焊接工作中，首先應(yīng)該選擇沖擊力較高的焊縫，目的是為了讓其內(nèi)部應(yīng)力分布合理。先挑選最大力的翼緣對接焊縫進(jìn)行焊接，其次是腹板的對接焊縫，最后才是角焊縫。這樣做的原因是因為翼緣的對接焊縫能夠承受起應(yīng)壓力，而腹板的對接焊縫能夠承受拉應(yīng)力。而最后的角焊縫則有一定幅度的收縮余量，這樣的選擇能后防止角變形。

④當(dāng)焊縫在平面內(nèi)時，焊縫（尤其是橫向）的收縮相對自由，焊接對接焊縫時，焊接方向應(yīng)朝向自由端

2.3降低結(jié)構(gòu)局部剛度

當(dāng)結(jié)構(gòu)的剛度增加時，焊接后的殘余應(yīng)力將顯著增加。因此，在允許的條件下采取一些技術(shù)措施，可以減少焊接區(qū)域的局部剛度，有效降低焊接殘余應(yīng)力。當(dāng)焊接密封的焊接密封或其他具有高剛度的焊縫時，可以使用反向變形。

2.4錘擊焊縫區(qū)

焊接殘余應(yīng)力的基本原因是，由于冷卻過程中的縱向和橫向收縮，焊接后焊接及其相鄰區(qū)域可以有效地減少焊接殘余應(yīng)力。

焊縫的溫度應(yīng)保持在100到150攝氏度之間或高于400攝氏度，應(yīng)避免在200到300攝氏度之間，這將導(dǎo)致金屬的藍(lán)色脆性，并且如果錘擊則很容易破裂。

在多層焊接中，除了第一層和最后一層之外，每層都要錘打，直到焊縫表面被沖壓到均勻和緊湊的點。錘擊時，力應(yīng)均勻，通常使用錘子0.5-1.0 Kg，錘子末端有圓角（R=3-5mm）。第一層不采用錘打以避免根部裂縫，最后一層通常是薄焊接，以消除錘子造成的冷硬化。

2.5合理利用高溫回火

焊件用來消除焊接殘余應(yīng)力的高溫回火分整體和局部兩種方式。

①整個焊接部分在爐內(nèi)加熱到一定溫度，然后通過整個高溫回火冷卻一段時間。在相同的材料中，回火溫度越高，時間越長，殘余應(yīng)力消除得越徹底。通過整體高溫回火可以消除80%～90%的殘余應(yīng)力，這是生產(chǎn)中使用最廣泛且常見的方法。

在600～620攝氏度的回火后，延展性和韌性降低（回火脆性），回火溫度應(yīng)為550～560攝氏度。

回火時間取決于焊接部件的厚度。鋼的計算根據(jù)每毫米1-2分鐘的厚度，但不小于30分鐘，不大于3小時，因為殘余應(yīng)力的去除效率在任何時候都迅速降低，并且不需要過多的處理時間。

②局部高溫回火 主要是加熱焊縫及其周圍部位來達(dá)到減輕殘余應(yīng)力的目的，但是這種方式的效果比不上整體的高溫回火效果，應(yīng)用這種方法主要是得益于其方式簡單，設(shè)備需求小等優(yōu)點。通常用于簡單、限制較少的焊接結(jié)構(gòu)，例如長管容器、管道接頭、長部件的對接接頭和其他焊接殘余應(yīng)力消除。對于大型焊接部件，可以使用局部高溫回火來降低峰值應(yīng)力。局部高溫回火可以利用紅外線、工頻感應(yīng)加熱、氣體或者是間接電阻等方式。

2.6合理利用機(jī)械接伸法

焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要是由于焊接后產(chǎn)生的塑形變形。焊接后的加載張力會導(dǎo)致焊接部分的拉伸性塑形變形。拉伸塑性變形方向與壓縮殘余變形方向不一致，位置相反，這種情況會導(dǎo)致壓縮殘余變形幅度減小，因此同樣的焊接殘余應(yīng)力也會減小。

這種機(jī)械拉伸應(yīng)力消除方法對于焊接后需要液壓測試的焊接容器特別有用。在實際應(yīng)用中，液壓試驗中容器的壓力要大得多，而在鋼制壓力容器試驗中，壓力通常是實際壓力的1.25倍，因此容器的水力試驗相當(dāng)于機(jī)械壓力拉伸，也消除了設(shè)備的焊接殘余應(yīng)力。

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