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管板焊接變形原因主要有材料結(jié)構(gòu)和工藝3個方面

1、焊接變形的影響因素
  焊接變形可以分為在焊接熱過程中發(fā)生的瞬態(tài)熱變形和在室溫條件下的殘余變形。
  影響焊接變形的因素很多,但歸納起來主要有材料、結(jié)構(gòu)和工藝3個方面。
  2、材料因素的影響
  材料對于焊接變形的影響不僅和焊接材料有關(guān),而且和母材也有關(guān)系,材料的熱物理性能參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)都對焊接變形的產(chǎn)生過程有重要的影響。其中熱物理性能參數(shù)的影響主要體現(xiàn)在熱傳導(dǎo)系數(shù)上,一般熱傳導(dǎo)系數(shù)越小,溫度梯度越大,焊接變形越顯著。力學(xué)性能對焊接變形的影響比較復(fù)雜,熱膨脹系數(shù)的影響比較明顯,隨著熱膨脹系數(shù)的增加焊接變形相應(yīng)增加。同時材料在高溫區(qū)的屈服極限和彈性模量及其隨溫度的變化率也起著十分重要的作用,一般情況下,隨著彈性模量的增大,焊接變形隨之減少而較高的屈服極限會引起較高的殘余應(yīng)力,焊接結(jié)構(gòu)存儲的變形能量也會因此而增大,從而可能促使脆性斷裂,此外,由于塑性應(yīng)變較小且塑性區(qū)范圍不大,因而焊接變形得以減少。
  3、 結(jié)構(gòu)因素的影響
  焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計對焊接變形的影響很關(guān)鍵,也是特別復(fù)雜的因素。其總體原則是隨拘束度的增加,焊接殘余應(yīng)力增加,而焊接變形則相應(yīng)減少。結(jié)構(gòu)在焊接變形過程中,工件本身的拘束度是不斷變化著的,因此自身為變拘束結(jié)構(gòu),同時還受到外加拘束的影響。一般情況下復(fù)雜結(jié)構(gòu)自身的拘束作用在焊接過程中占據(jù)主導(dǎo)地位,而結(jié)構(gòu)本身在焊接過程中的拘束度變化情況隨結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加而增加,在設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時,常需要采用筋板或加強板來提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛性,這樣做不但增加了裝配和焊接工作量,而且在某些區(qū)域,如筋板、加強板等,拘束度發(fā)生較大的變化,給焊接變形分析與控制帶來了一定的難度。因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計時針對結(jié)構(gòu)板的厚度及筋板或加強筋的位置數(shù)量等進行優(yōu)化,對減小焊接變形有著十分重要的作用。
  4、 工藝因素的影響
  焊接工藝對焊接變形的影響方面很多,例如焊接方法、焊接輸入電流電壓量、構(gòu)件的定位或固定方法、焊接順序、焊接胎架及夾具的應(yīng)用等。在各種工藝因素中,焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊戄^為顯著,一般情況下,改變焊接順序可以改變殘余應(yīng)力的分布及應(yīng)力狀態(tài),減少焊接變形。多層焊以及焊接工藝參數(shù)也對焊接變形有十分重要的影響。焊接工作者在長期研究中,總結(jié)出一些經(jīng)驗,利用特殊的工藝規(guī)范和措施,達到減少焊接殘余應(yīng)力和變形,改善殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的目的。
  5、焊接變形的控制
  設(shè)計措施
   合理地選擇焊接的尺寸和形式
  焊接尺寸直接關(guān)系到焊接工作量和焊接變形的大小。焊縫尺寸大,不但焊接量大,而且焊接變形也大,因此,在保證結(jié)構(gòu)的承載能力的條件下,設(shè)計時應(yīng)盡量采用較小的焊縫尺寸。對于受力較大的丁字接頭和十字接頭,在保證相同的強度條件下,采用開坡口的焊縫可以比一般角焊縫減少焊縫金屬,對減小變形有利。
  盡可能減少不必要的焊縫
  在設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時,合理地選擇筋板的形狀,適當(dāng)?shù)匕才沤畎宓奈恢茫η蠛缚p數(shù)量少,避免不必要的焊縫,從而減小焊接變形。
  合理地安排焊縫位置
  在設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時,安排焊縫盡可能對稱于截面中性軸,或者使焊縫接近中性軸,這對于減少梁、柱等類型結(jié)構(gòu)的撓曲變形有良好的效果。
  工藝措施
  工藝措施是指在焊接構(gòu)件生產(chǎn)制造過程中所采用的一系列措施,將其分為焊前預(yù)防措施、焊接過程中的控制措施和焊后矯正措施。
  焊前預(yù)防措施
  焊前預(yù)防主要包括預(yù)防變形、預(yù)拉伸法和剛性固定組裝法。
  預(yù)變性法或稱反變形法是根據(jù)預(yù)測的焊接變形大小和方向,在待焊工件裝配時造成與焊接殘余變形大小相當(dāng)、方向相反的預(yù)變形量(反變形量),焊后焊接殘余變形抵消了預(yù)變形量,使構(gòu)件恢復(fù)到設(shè)計要求的幾何形狀和尺寸。
  預(yù)拉伸法多用于薄板平面構(gòu)件,焊接時在薄板有預(yù)張力或有預(yù)先熱膨脹量的情況下進行的。焊后,去除預(yù)拉伸或加熱,薄板恢復(fù)初始狀態(tài),可有效地降低焊接殘余應(yīng)力,控制焊接變形。預(yù)熱的作用在于減小溫度梯度,不同的預(yù)熱溫度在降低殘余應(yīng)力的作用方面有一定的差別,預(yù)熱溫度在300℃~400℃時,在鋼中殘余應(yīng)力水平降低了30%~50%,當(dāng)預(yù)熱溫度為200℃時,殘余應(yīng)力水平降低了10%~20%。
  剛性固定組裝法是采用夾具或剛性胎具將被焊構(gòu)件盡可能地固定,可有效地控制待焊構(gòu)件的角變形與彎曲變形等。
  焊接過程控制措施
  焊接過程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接規(guī)范參數(shù),選擇合理的焊接順序以及采用隨焊兩側(cè)加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施。選擇線能量較低的焊接方法以及合理地控制焊接規(guī)范參數(shù)可以有效地防止焊接變形。采用隨焊兩側(cè)加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施可以降低殘余應(yīng)力和減小焊接變形。采用隨焊兩側(cè)加熱,橫向應(yīng)變、縱向應(yīng)變和剪切應(yīng)變的分布更加均勻,變化更加平緩,起到減小焊接殘余應(yīng)力和變形的作用。隨焊碾壓法由于設(shè)備復(fù)雜、使用不便等原因,在生產(chǎn)應(yīng)用中受到一定的限制,但該方法在提高焊接變形等方面具有理想的效果。隨焊激冷法能夠顯著地降低殘余應(yīng)力和減少焊接變形。
  焊接順序?qū)附託堄鄳?yīng)力和變形的產(chǎn)生影響較大,在采用不同的焊接順序時,可以改變殘余應(yīng)力的分布規(guī)律,但對殘余應(yīng)力整體幅值的降低作用不大,同時該方法對于控制焊接變形有較大的作用,尤其在多道焊中,作用更加明顯。
   焊后矯正措施
  當(dāng)構(gòu)件焊接后,只能通過矯正措施來減小或消除已發(fā)生的殘余變形。焊后矯正措施主要分為加熱矯正法和機械矯正法。加熱矯正法又分為整體加熱和局部加熱。
  整體熱矯正是指將整體構(gòu)件加熱至鍛造溫度以上再進行矯正的方法,可用以消除較大的形狀偏差。但是焊后整體加熱容易引起冶金方面的副作用,限制了該方法的進一步推廣及應(yīng)用。
  局部熱矯正多采用火焰對焊接構(gòu)件局部加熱,在高溫處,材料的熱膨脹受到構(gòu)件本身剛性制約,產(chǎn)生局部壓縮塑性變形,冷卻后收縮,抵消了焊后部位的伸長變形,達到矯正目的,火焰加熱法采用一般的氣焊焊炬,不需要專門的設(shè)備,方法簡便靈活,因此在生產(chǎn)上廣為應(yīng)用。
  此外,還有利用機械力或沖擊能等進行焊接變形矯正,包括靜力加壓矯直法、焊縫滾壓法、錘擊法等。


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