薄板焊接應力與焊接變形

張衡

摘 要：本文研究了薄板板材焊接應力，焊接變形與焊接電流，焊接電壓和板尺寸的關系。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，焊縫處的拉應力和靠近焊縫金屬的基材處的壓應力增加，焊接線和板的其他部分的能量越大，殘余應力也越大。

關鍵詞：焊接應力；焊接變形；鎢極氬弧焊（TIG）；控制措施

1、焊接殘余應力測量與分析

條形切割是一種常見的應力釋放方法。根據應力釋放和邊界效應原理確定焊接接頭的殘余內應力，測量結果相對穩定而且準確。為了測量平行于焊縫的縱向殘余應力，沿鋸切應力的截面形成新的端面，以垂直于焊縫進行測量。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力被釋放。

1.1應變片測量應變電路

10個工作應變儀的引線（實際上是12個）連接在一起，稱為公共線，B（B的內部連接）；工件的另一個引出線連接到端子柱A，即a1，a2，...，a10；補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，常用的補償器可以補償6-8個工作應變計。應變計型號為BX120-5AA，標稱電阻為119.8+0.1Ω，靈敏度系數為K=2.08+1%。

1.2應變片粘貼

當應變計應用到實驗過程中時，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。在測量應力的關鍵部位使用鐵紗布打磨，一直到光潔度能達到▽4左右，同樣也需要用酒精進行清潔工作。用快干絕緣膠或502膠粘劑，使電阻應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。應選擇具有相同電阻的電阻應變計進行安裝。方便在以下測量過程中調整平衡，貼片后24小時自然干燥。用數字萬用表檢查電阻器的焊膏質量。對于引線和應變儀的測試板之間的絕緣電阻要求應該在200Ω以上。采用錫焊的方式連接應變片的引線和導線，然后用電絕緣膠帶將其固定在測試板上，保證導線和鋁板處于絕緣狀態。

1.3 測量結果與分析

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，焊縫擴大，焊接區域發生壓縮塑性變形。當焊縫在焊接后冷卻時，焊縫應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作用原理受到拉應力在力和反作用力下，焊接區域附近的焊縫受到壓應力。實驗中使用的薄板板是薄板（2mm）。在焊接過程中，傾向于發生板的彎曲變形和上拱的不穩定性。

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

2、焊接應力的控制

2.1設計措施

盡可能減少焊縫的數量和尺寸。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。焊縫應保持足夠的距離。盡可能避免三向交叉焊縫。三維拉應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力最嚴重的區域。盡可能對稱布置，連接過渡平穩，避免應力集中現象。避免反向焊接。結構整體剛度應連續均勻，剛度變化應小，應避免幾何不連續。C形結構的內翼應加強。三角肋頂端的應力集中距離尖端最大10 mm。。

2.2工藝措施

2.2.1焊前預熱、焊后保溫

焊接前預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，從而減少焊接應力和變形。預熱溫度通常不高于400攝氏度。切割扭矩火焰可用于預熱，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，首先應該選擇沖擊力較高的焊縫，目的是為了讓其內部應力分布合理。先挑選最大力的翼緣對接焊縫進行焊接，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壓力，而腹板的對接焊縫能夠承受拉應力。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當焊縫在平面內時，焊縫（尤其是橫向）的收縮相對自由，焊接對接焊縫時，焊接方向應朝向自由端

2.3降低結構局部剛度

當結構的剛度增加時，焊接后的殘余應力將顯著增加。因此，在允許的條件下采取一些技術措施，可以減少焊接區域的局部剛度，有效降低焊接殘余應力。當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

焊接殘余應力的基本原因是，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域可以有效地減少焊接殘余應力。

焊縫的溫度應保持在100到150攝氏度之間或高于400攝氏度，應避免在200到300攝氏度之間，這將導致金屬的藍色脆性，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%的殘余應力，這是生產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到減輕殘余應力的目的，但是這種方式的效果比不上整體的高溫回火效果，應用這種方法主要是得益于其方式簡單，設備需求小等優點。通常用于簡單、限制較少的焊接結構，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力。局部高溫回火可以利用紅外線、工頻感應加熱、氣體或者是間接電阻等方式。

2.6合理利用機械接伸法

焊接殘余應力的產生主要是由于焊接后產生的塑形變形。焊接后的加載張力會導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，這種情況會導致壓縮殘余變形幅度減小，因此同樣的焊接殘余應力也會減小。

這種機械拉伸應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于機械壓力拉伸，也消除了設備的焊接殘余應力。

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