淺談焊接應(yīng)力對(duì)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的危害及預(yù)防措施

張振星

摘 要：機(jī)械設(shè)備在現(xiàn)代建筑中應(yīng)用的越來(lái)越多，焊接應(yīng)力對(duì)焊接產(chǎn)生的影響越來(lái)越大，通過(guò)對(duì)焊接應(yīng)力的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，找準(zhǔn)正確的解除方法，才能夠減少焊接應(yīng)力和變形，提高焊接質(zhì)量?；诖耍疚氖紫葘?duì)焊接應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了概述，詳細(xì)探討了焊接應(yīng)力對(duì)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的危害及預(yù)防措施，旨在提高機(jī)械設(shè)備的焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：焊接應(yīng)力；機(jī)械設(shè)備；危害；預(yù)防措施

焊接已成為復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中的一種加工方法。焊接結(jié)構(gòu)與其它加工方法相比可節(jié)省金屬材料，具有很好的密封性，工序簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，而且可以生產(chǎn)一些別的工藝方法難以完成的結(jié)構(gòu)。但是，由于焊接過(guò)程中產(chǎn)生了極不均勻溫度場(chǎng)（包括加熱和冷卻時(shí)的溫度梯度）導(dǎo)致受約束的熱應(yīng)變和塑性應(yīng)變，從而引起了殘余應(yīng)力。因此，對(duì)焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，并制定相應(yīng)的預(yù)防和處理方法，將對(duì)焊接質(zhì)量提供強(qiáng)有力的措施保障，更好保障我國(guó)承壓特種設(shè)備的運(yùn)行安全。

1 焊接應(yīng)力的危害

1.1 對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響

當(dāng)外荷載產(chǎn)生的應(yīng)力與結(jié)構(gòu)中焊接應(yīng)力疊加之和達(dá)到屈服點(diǎn)對(duì)這一區(qū)域的材料就會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形，表示了進(jìn)一步承受荷載的能力造成結(jié)構(gòu)的有效截面積減少，結(jié)構(gòu)的鋼度也隨之降低。

焊接結(jié)構(gòu)中焊縫及其附近區(qū)域的縱向拉伸殘余應(yīng)力一般都可達(dá)到或接近屈服極限，如果外載產(chǎn)生的拉應(yīng)力與殘余應(yīng)力相疊加超過(guò)屈服極限，則其變形就要比沒(méi)有內(nèi)應(yīng)力或者內(nèi)應(yīng)力較低時(shí)大，并會(huì)發(fā)生局部屈服；當(dāng)卸載時(shí)，其回彈量少于加載時(shí)的變形量，構(gòu)件不能恢復(fù)到原始尺寸。經(jīng)過(guò)第一次加載后內(nèi)應(yīng)力會(huì)下降，隨后的加載載荷只要不超過(guò)第一次，應(yīng)力之和也就不大于5，整個(gè)加載過(guò)程只在彈性范圍內(nèi)進(jìn)行，卸載后不會(huì)產(chǎn)生新的殘余變形。這種現(xiàn)象會(huì)降低構(gòu)件的剛度，例如梁形焊接構(gòu)件。結(jié)構(gòu)受彎曲時(shí)內(nèi)應(yīng)力對(duì)剛度的影響與焊縫的位置有關(guān)，焊縫所在的部位的彎曲應(yīng)力越大，其影響就越大。

1.2對(duì)靜承載能力的影響

當(dāng)靜載拉伸載荷作用于存在殘余應(yīng)力的焊件上，則在外載與內(nèi)應(yīng)力的方向一致的區(qū)域中進(jìn)行應(yīng)力疊加，使應(yīng)力值不斷升高。當(dāng)疊加應(yīng)力值達(dá)到屈服值時(shí)，根據(jù)材料拉伸特性曲線(xiàn)，其應(yīng)力出現(xiàn)平臺(tái)不再升高，但是其變形量將繼續(xù)增加，直至整個(gè)焊接界面應(yīng)力均勻化后才出現(xiàn)應(yīng)力值升高直至斷裂。因此，存在殘余應(yīng)力的焊件并不會(huì)由于外載增加而使局部區(qū)域提前斷裂。

1.3對(duì)結(jié)構(gòu)脆性斷裂的影響

在實(shí)際構(gòu)件中，若高強(qiáng)度鋼的韌性較低，焊接接頭處的缺陷會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的低應(yīng)力脆性斷裂，，斷裂評(píng)定必須考慮拉伸殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力的共同作用的影響，應(yīng)引入應(yīng)力強(qiáng)度修正系數(shù)。若裂尖處于焊接殘余拉應(yīng)力范圍內(nèi)，則缺陷尖端的應(yīng)力強(qiáng)度增大，；裂紋趨于擴(kuò)展，直至裂紋尖端超出殘余拉應(yīng)力范圍。隨后，裂紋有可能停止擴(kuò)展或繼續(xù)擴(kuò)展，這將取決于裂紋長(zhǎng)度、應(yīng)力強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)運(yùn)行環(huán)境溫度。焊接應(yīng)力只分布于局部區(qū)域，對(duì)裂紋的影響也局限于這一范圍。

1.4對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響

在應(yīng)力和腐蝕的共同作用下會(huì)形成應(yīng)力腐蝕，促使裂紋的形成、發(fā)展直至快速擴(kuò)展造成斷裂。一些焊接構(gòu)件工作在有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中，除外載的工作應(yīng)力外，焊接殘余應(yīng)力本身也引起應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。這是在拉應(yīng)力與化學(xué)共同作用下發(fā)生的，殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加后的拉應(yīng)力值越高，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂所需的時(shí)間就越短。選擇對(duì)待定的環(huán)境和工作介質(zhì)有良好抗腐蝕性的材料，以及對(duì)焊接構(gòu)件進(jìn)行消應(yīng)力處理，都可以提高構(gòu)件的抗應(yīng)力腐蝕能力。

1.5對(duì)構(gòu)件精度和尺寸穩(wěn)定性的影響

為保證構(gòu)件的設(shè)計(jì)技術(shù)條件和裝配精度，某些焊接構(gòu)件在焊后要進(jìn)行機(jī)械加工。一部分材料從焊件上被切除時(shí)，此處的內(nèi)應(yīng)力也隨之釋放，使構(gòu)件中原有的殘余應(yīng)力場(chǎng)失去平衡而重新分布，引起構(gòu)件變形。這類(lèi)變形往往是在機(jī)械加工后松開(kāi)夾具后才充分顯示出來(lái)，影響構(gòu)件精度。

此外，焊接構(gòu)件中的殘余應(yīng)力隨時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)緩慢變化而重新分布，發(fā)生應(yīng)力松弛，同時(shí)焊件尺寸也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，影響到構(gòu)件的精度和尺寸穩(wěn)定性。不同的材料會(huì)引起不一樣的殘余應(yīng)力松弛，對(duì)結(jié)構(gòu)的精度和尺寸穩(wěn)定性影響也不一樣。

控制焊接應(yīng)力的主要措施包括加熱減應(yīng)區(qū)、預(yù)熱方法焊接、錘擊焊縫、降低焊縫的拘束度等方法。

2 降低和消除焊接應(yīng)力的對(duì)策

2.1設(shè)計(jì)方面

關(guān)鍵對(duì)焊縫進(jìn)行正確布置，降低應(yīng)力疊加，從而大大降低應(yīng)力峰值。

（1）避免將焊縫設(shè)置在斷面劇烈過(guò)渡的區(qū)域。例如折邊封頭過(guò)渡區(qū)圓角半徑很小、非等厚連接處等斷面劇烈過(guò)渡區(qū)，都不適合進(jìn)行焊縫設(shè)置。斷面劇烈過(guò)渡區(qū)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，斷面厚?。ù旨?xì)）懸殊會(huì)造成剛性差異和受熱差異懸殊，增大焊接應(yīng)力，故應(yīng)避免。當(dāng)不可避免時(shí)，可將厚件削薄實(shí)現(xiàn)等厚連接

（2）在布置焊縫時(shí)盡可能分散，避免產(chǎn)生交叉。一般來(lái)說(shuō)，筒體縱縫的間距要求大于100 mm。盡量避免使用交叉焊縫，以免三向應(yīng)力的產(chǎn)生。但并非完全不能采取交叉焊縫，在大型容器的制備過(guò)程中時(shí)，為采用自動(dòng)化程度較高的工藝裝備，提高生產(chǎn)率，對(duì)那些塑性較好的材料（低碳鋼、16Mn鋼等）也可采用十字交叉焊縫結(jié)構(gòu)。如對(duì)大型球形容器我國(guó)規(guī)定了兩種并行的焊縫拼接法。

（3）對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，降低焊件局部剛性，從而降低焊接應(yīng)力。對(duì)于一些厚度大、剛性大的工件，為防裂可開(kāi)圓槽。

2.2工藝方面

（1）在焊前進(jìn)行預(yù)熱。通過(guò)預(yù)熱降低焊接時(shí)溫度差異，減緩冷卻速度，從而降低熱應(yīng)力。小件焊件可進(jìn)行整體預(yù)熱；對(duì)于尺寸較大的焊件，只能采用局部預(yù)熱，預(yù)熱部位應(yīng)在焊縫區(qū)以外。

（2）對(duì)焊接順序進(jìn)行合理安排。焊接順序安排的基本原則是：在剛性較小的情況下進(jìn)行大多數(shù)焊縫的施焊，以便焊件的自由收縮，從而降低焊接的應(yīng)力；對(duì)于收縮量最大的焊縫，應(yīng)該現(xiàn)行焊接，如結(jié)構(gòu)中既有對(duì)接焊縫，又有角焊縫，應(yīng)先焊對(duì)接焊縫，后焊角接焊縫。

（3）對(duì)焊縫進(jìn)行錘擊。在焊縫金屬的冷卻過(guò)程中，利用圓頭小錘對(duì)焊縫進(jìn)行輕輕的敲擊，拓展焊縫，可有效減少焊接應(yīng)力。

2.3焊后處理

（1）機(jī)械拉伸的方法。加載完成焊接的結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力，使之接近屈服強(qiáng)度，最后進(jìn)行卸載，以達(dá)到部分消除焊接應(yīng)力的目的。如容器制造中的水壓試驗(yàn)。

（2）焊后熱處理的方法。焊后熱處理是最常用的消除焊接應(yīng)力方的法，此方法是利用在高溫下材料屈服極限的減少，在應(yīng)力高的地方發(fā)生塑性流動(dòng)，從而達(dá)到消除焊接應(yīng)力的目的。一般采用消除應(yīng)力退火。其規(guī)范視材料、板厚及預(yù)熱情況而異。焊后熱處理對(duì)消除焊接應(yīng)力雖有較好的效果，但應(yīng)注意對(duì)某些合金鋼，尤其是板厚較大時(shí)，易產(chǎn)生再熱裂紋。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，焊接殘余應(yīng)力是焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷的重要原因，焊接部位材料的有效比例極限會(huì)隨著焊接殘余應(yīng)力的增大而大幅度降低，受壓構(gòu)件的剛度、焊接結(jié)構(gòu)的耐腐蝕能力、抗疲勞能力都會(huì)隨之而降低，值得進(jìn)步重點(diǎn)關(guān)注和研究。

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