焊接殘余應力的分布及控制措施

1、焊接殘余應力的分布及控制措施山東電力建設第二工程公司 周元慶摘要：分析焊接殘余應力的分布、焊接殘余應力對焊接結構的影響，提出減小焊接殘余應力的控制措施。關鍵詞：焊接殘余應力、分布、影響、控制措施電建行業(yè)中，我們大量應用到焊接技術，其中主要包括鋼結構焊接、管道焊接等。焊接過程會產生焊接殘余應力，焊接殘余應力會降低承載能力、引起焊接裂紋，甚至脆斷、在腐蝕介質中，產生應力腐蝕裂紋以及引起變形等，因此，需要采用合理的方法進行控制。一、焊接殘余應力的分布：1、 縱向應力x：我們把焊縫方向的應力稱為縱向應力。x在焊件橫截面上的分布規(guī)律為：焊縫及其附近區(qū)域為殘余拉應力，一般可達材料的屈服強度，隨著離焊縫距離

2、的增加，拉應力急劇下降并轉為壓應力；x在焊件縱截面上的分布規(guī)律為：在焊件縱截面端頭，x=0，越靠近縱截面的中間，x越大，逐漸趨近于s。2、 橫向應力y：垂直于焊縫方向的應力成為橫向應力。橫向應力較縱向應力來講比較復雜，它可分為兩個組成部分，其中一個是由于焊縫及其附近的塑性變形區(qū)的縱向收縮所引起的橫向應力y，另一個是由焊縫及其附近塑性變形區(qū)的橫向收縮的不同時性所引起的橫向應力y。y  =y+y。3、 厚板中的殘余應力：厚板焊接結構中除了存在著縱向應力和橫向應力外，還存在著較大的厚度方向的應力。4、 在拘束狀態(tài)下焊接的內應力：構件在受拘束狀態(tài)下焊接時所產生的應力稱為拘束狀態(tài)下焊接的內應力

3、。這種應力對結構的影響比較大，在設計和施工時應注意采取措施消除或減少。5、 封閉焊縫所引起的內應力：在容器、船舶等板殼結構中，經常會遇到焊接接管、人孔接頭和鑲塊等的焊縫構成一個封閉回路，稱之為封閉焊縫。封閉焊縫時在較大拘束下焊接的，因此內應力比在自由狀態(tài)時大。結構的剛度越大，拘束度越大，內應力也越大。二、焊接殘余應力對焊接結構的影響1、 對靜載強度的影響：如果材料具有足夠的塑性，焊接殘余應力的存在并不影響結構的靜載強度，但是如果是脆性材料制造的焊接結構，由于材料不能進行塑性變形，隨著外力的增加，構件不可能產生應力均勻化，所以在加載過程中應力峰值不斷增加。當應力峰值達到材料的強度極限時，局部發(fā)生

4、破壞，而最后導致構件整體破壞。所以焊接殘余應力對脆性材料的靜載強度有較大的影響。2、 對構件加工尺寸精度的影響：機械切削加工把一部分材料從工件上切去，如果工件中存在內應力，那么把一部分材料切去的同時，把原先在那里的內應力也一起去掉，從而破壞了原來工件中內應力的平衡，使工件產生變形。3、 對疲勞強度的影響：構件中的內應力始終作用于應力循環(huán)中，使整個應力循環(huán)的應力值偏移一個0值，若這個0是正值，它將與載荷應力疊加使應力循環(huán)提高，構件的疲勞強度將降低，若0是負值，則它與載荷應力疊加使應力循環(huán)降低，構件的疲勞強度將會有所提高。4、 對受壓桿件穩(wěn)定性的影響：焊接應力在構件中的應力是平衡的。構件截面上的壓

5、縮內應力將與外載所引起的壓應力疊加。應力的疊加使壓應力區(qū)先期到達屈服極限s。該區(qū)應力不再增加，也就是說該區(qū)喪失了進一步承受外力的能力。這樣就相當于減小了構件的有效截面積，減小了有效截面積的分布，使穩(wěn)定性降低。三、減小焊接殘余應力的措施一般來說，可以從設計和工藝兩方面著手1、 設計措施1）、盡可能減少焊縫數(shù)量；2）、合理布置焊縫；3）、采用剛性較小的接頭形式。2、 工藝措施1）、采用合理的裝配和焊接順序及方向：、 對大型結構，應從中間向四周進行施焊，使焊縫可以由中間向外依次進行收縮；、 對平面交叉焊縫的焊接，應先焊錯開的短焊縫，然后再焊直通長焊縫，如圖一所示。我們經常會在水箱的制作中遇到這種情況

6、。 圖一、 在焊接交叉（不論是丁字交叉還是十字交叉）焊縫時，應特別注意交叉處的焊縫質量，如果在接近縱焊縫的橫向焊縫處有缺陷，（如未焊透等），則這些缺陷正好位于縱焊縫的拉伸應力場中，造成復雜的三軸應力狀態(tài)，圖一就是這種情況，不僅是平板，管道焊接也是如此。如我們在進行循環(huán)水管道卷制過程中就會遇到這種情況，此時應該先焊焊縫T1，縱焊縫焊完后再焊環(huán)縫T2，焊接過程中特別注意兩條焊縫接頭部位的焊接質量。如圖二所示：圖二、 應先焊收縮量最大的焊縫，這是因為結構的剛性在焊接過程中是逐漸增大的，所以先焊的焊縫在收縮時所受到的阻力會小些，焊后的應力也就小些。如果在結構上既有對接焊縫又有角焊縫，就應先焊對接縫，后

7、焊角焊縫。、 應先焊受力較大的焊縫，使焊接應力合理分布。如在工地焊接梁的接頭時，應預留出一段翼緣角焊縫最后焊接，先焊受力最大的翼緣對接焊縫1，然后焊接腹板對接焊縫2，最后再焊翼緣角焊縫3，見圖三，這樣的焊接次序可以使受力較大的翼緣焊縫預先承受壓應力，而腹板則承受拉應力。翼緣角焊縫最后焊接，可使腹板有一定的收縮余地，同時也可以再焊接翼板對接焊縫時采取反變形措施，防止產生角變形。圖三2）、選擇合理的焊接規(guī)范：為盡量減少焊件受熱范圍，根據構件的實際情況，必要時可采用較小直徑焊條和較小的焊接電流進行焊接，以達到減少焊后殘余應力的目的。3）、在焊接封閉焊縫或其它剛性比較大，自由度較小的焊縫時，可以采用反

8、變形法來增加焊縫的自由度。4）、錘擊焊縫：每焊一道焊縫用帶小圓弧面的風槍或小手錘錘擊焊縫區(qū)，使焊縫得到延伸，從而降低應力。錘擊應保持均勻、適度，避免錘擊過分產生裂紋。我們在焊接鑄鐵材料時經常使用這種方法來降低應力，得到優(yōu)質的焊縫。5）、預熱：焊前將焊件整體或一部分加熱，使其能緩慢、均勻地冷卻，這是在中、高碳鋼、合金鋼等焊接時經常采用的有效措施。鋼的預熱溫度一般為100-350。通常，預熱溫度越高減少焊接應力的效果也越好。另外通過預熱，降低了焊縫金屬和母材熱影響區(qū)的冷卻速度，同時也降低了收縮應力。6）、焊后熱處理(消除應力退火)：對焊接結構的整體或局部進行退火是消除應力的有效手段，可以使焊接殘余應力松弛，同時還可以改善接頭的性能。實際施工過程中，了解焊接殘余應力如何分布以及焊接殘余應力對結構的影響是很重要的，它