如何控制焊接應力和變形
- 2018-08-24 16:14:00
- 陸啟蒙 原創(chuàng )
- 8444
由于焊接產(chǎn)生的焊接殘余應力和殘余變形 ,嚴重影響著(zhù)工程的質(zhì)量、安裝進(jìn)度和結構承載力 (即使用功能 ),急需采用合理的方法予以控制。
鋼結構的焊接過(guò)程實(shí)際上是在焊件局部區域加熱后又冷卻凝固的熱過(guò)程 ,但由于不均勻溫度場(chǎng) ,導致焊件不均勻的膨脹和收縮,從而使焊件內部產(chǎn)生焊接應力而引起焊接變形。
常見(jiàn)的焊接應力有 :1)縱向應力 ;2)橫向應力 ;3)厚度方向應力。
常見(jiàn)的焊接變形有:1)縱向收縮變形 ;2)橫向收縮變形 ;3)角變形 ;4)彎曲變形 ;5)扭曲變形 ;6)波浪變形。
針對這些不同種類(lèi)的焊接變形和應力分布,追溯根源,具體進(jìn)行研究控制。
1、焊接變形的控制措施
全面分析各因素對焊接變形的影響 ,掌握其影響規律 ,即可采取合理的控制措施。
1.1 焊縫截面積的影響
焊縫截面積是指熔合線(xiàn)范圍內的金屬面積。焊縫面積越大 ,冷卻時(shí)收縮引起的塑性變形量越大,焊縫面積對縱向、橫向及角變形的影響趨勢是一致的 ,而且是起主要的影響,因此,在板厚相同時(shí),坡口尺寸越大,收縮變形越大。
1.2 焊接熱輸入的影響
一般情況下,熱輸入大時(shí),加熱的高溫區范圍大,冷卻速度慢,使接頭塑性變形區增大。
1.3 焊接方法的影響
多種焊接方法的熱輸入差別較大,在建筑鋼結構焊接常用的幾種焊接方法中,除電渣以外,埋弧焊熱輸入最大,在其他條件如焊縫斷面積等相同情況下,收縮變形最大,手工電弧焊居中,CO2氣體保護焊最小。
1.4 接頭形式的影響
在焊接熱輸入、焊縫截面積、焊接方面等因素條件相同時(shí),不同的接頭形式對縱向、橫向、角變形量有不同的影響。常用的焊縫形式有堆焊、角焊、對接焊。
1)表面堆焊時(shí),焊縫金屬的橫向變形不但受到縱橫向母材的約束,而且加熱只限于工件表面一定深度而使焊縫的收縮同時(shí)受到板厚、深度、母材方面的約束 ,因此 ,變形相對較小。
2)T形角接接頭和搭接接頭時(shí),其焊縫橫向收縮情況與堆焊相似,其橫向收縮值與角焊縫面積成正比,與板厚成反比。
3)對接接頭在單道 (層 )焊的情況下,其焊縫橫向收縮比堆焊和角焊大,在單面焊時(shí)坡口角度大,板厚上、下收縮量差別大,因而角變形較大。
雙面焊時(shí)情況有所不同,隨著(zhù)坡口角度和間隙的減小,橫向收縮減小,同時(shí)角變形也減小。
1.5 焊接層數的影響
1)橫向收縮:在對接接頭多層焊接時(shí),第一層焊縫的橫向收縮符合對接焊的一般條件和變形規律,第一層以后相當于無(wú)間隙對接焊,接近于蓋面焊道時(shí)與堆焊的條件和變形規律相似,因此,收縮變形相對較小。
2)縱向收縮:多層焊接時(shí),每層焊縫的熱輸入比一次完成的單層焊時(shí)的熱輸入小得多,加熱范圍窄,冷卻快,產(chǎn)生的收縮變形小得多,而且前層焊縫焊成后都對下層焊縫形成約束 ,因此,多層焊時(shí)的縱向收縮變形比單層焊時(shí)小得多,而且焊的層數越多,縱向變形越小。
在工程焊接實(shí)踐中 ,由于各種條件因素的綜合作用 ,焊接殘余變形的規律比較復雜,了解各因素單獨作用的影響便于對工程具體情況做具體的綜合分析。所以 ,了解焊接變形產(chǎn)生的原因和影響因素 ,則可以采取以下控制變形的措施:
1)減小焊縫截面積,在得到完整、無(wú)超標缺陷焊縫的前提下,盡可能采用較小的坡口尺寸 (角度和間隙 )。
2)對屈服強度 345MPa以下,淬硬性不強的鋼材采用較小的熱輸入,盡可能不預熱或適當降低預熱、層間溫度;優(yōu)先采用熱輸入較小的焊接方法 ,如CO2氣體保護焊。
3)厚板焊接盡可能采用多層焊代替單層焊。
4)在滿(mǎn)足設計要求情況下,縱向加強肋和橫向加強肋的焊接可采用間斷焊接法。
5)雙面均可焊接操作時(shí),要采用雙面對稱(chēng)坡口,并在多層焊時(shí)采用與構件中和軸對稱(chēng)的焊接順序。
6)T形接頭板厚較大時(shí)采用開(kāi)坡口角對接焊縫。
7)采用焊前反變形方法控制焊后的角變形。
8)采用剛性?shī)A具固定法控制焊后變形。
9)采用構件預留長(cháng)度法補償焊縫縱向收縮變形,如H形縱向焊縫每米長(cháng)可預留 0.5mm~ 0.7mm。
10)對于長(cháng)構件的扭曲 ,主要靠提高板材平整度和構件組裝精度 ,使坡口角度和間隙準確 ,電弧的指向或對中準確,以使焊縫角度變形和翼板及腹板縱向變形值與構件長(cháng)度方向一致。
11)在焊縫眾多的構件組焊時(shí)或結構安裝時(shí),要采取合理的焊接順序。
12)設計上要盡量減少焊縫的數量和尺寸,合理布置焊縫,除了要避免焊縫密集以外,還應使焊縫位置盡可能靠近構件的中和軸,并使焊縫的布置與構件中和軸相對稱(chēng)。
(二)
2、焊接應力的控制措施
構件焊接時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)內應力,焊接后產(chǎn)生殘余應力,并同時(shí)產(chǎn)生殘余變形,這是不可避免的現象。焊接變形的矯正費時(shí)費工,構件制造和安裝企業(yè)首先考慮的是控制變形,往往對控制殘余應力較為忽視,常用一些卡具、支撐以增加剛性來(lái)控制變形 ,與此同時(shí)實(shí)際上增大了焊后的殘余應力。
對于一些本身剛性較大的構件,如板厚較大,截面本身的慣性矩較大時(shí),雖然變形會(huì )較小,但卻同時(shí)產(chǎn)生較大的內應力,甚至產(chǎn)生裂紋。此此,對于一些構件截面厚大,焊接節點(diǎn)復雜,拘束度大,鋼材強度級別高,使用條件惡劣的重要結構要注意焊接應力的控制??刂茟Φ哪繕耸墙档推浞逯凳蛊渚鶆蚍植?,其控制措施有以下幾種:
1)減小焊縫尺寸:焊接內應力由局部加熱循環(huán)而引起,為此,在滿(mǎn)足設計要求的條件下,不應加大焊縫尺寸和層高,要轉變焊縫越大越安全的觀(guān)念。
2)減小焊接拘束度:拘束度越大,焊接應力越大,首先應盡量使焊縫在較小拘束度下焊接,盡可能不用剛性固定的方法控制變形,以免增大焊接拘束度。
3)采取合理的焊接順序:在焊縫較多的組裝條件下,應根據構件形狀和焊縫的布置,采取先焊收縮量較大的焊縫,后焊收縮量較小的焊縫;先焊拘束度較大而不能自由收縮的焊縫,后焊拘束度較小而能自由收縮的焊縫的原則。
4)降低焊件剛度,創(chuàng )造自由收縮的條件。
5)錘擊法減小焊接殘余應力:在每層焊道焊完后立即用圓頭敲渣小錘或電動(dòng)錘擊工具均勻敲擊焊縫金屬,使其產(chǎn)生塑性延伸變形,并抵消焊縫冷卻后承受的局部拉應力。但根部焊道、坡口內及蓋面層與母材坡口面相鄰的兩側焊道不宜錘擊 ,以免出現熔合線(xiàn)和近縫區的硬化或裂紋。高強度低合金鋼,如屈服強度級別大于 345MPa時(shí),也不宜用錘擊法消除焊接殘余應力。
6 )采用拋丸機除銹:通過(guò)鋼丸均勻敲打來(lái)抵消構件的焊接應力。
綜上所述,在施工過(guò)程中,一定要了解焊接工藝,采用合理的焊接方法和控制措施,以便減少和消除焊后殘余應力和殘余變形。在實(shí)踐中不斷總結、積累焊接經(jīng)驗 ,綜合分析考慮的各種因素 ,可以保證工程中的焊接質(zhì)量。
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