消除焊接残余应力的措施
1 必须消除应力的情况
结构焊后要不要消除应力需要根据母材、焊件厚度、制造以及使用条件等因素由设计部门决定。下列情况下必须要消除应力:
①25mm以上的厚焊件
厚度越大,结构钢度越大,焊后残余应力越大。
②壁厚超过允许界限的大型受压容器
大型容器都有一个必须消除应力的壁厚界限,钢材不同,这个界限值不同。
③焊后要求机械加工的结构(如机车或船用大型柴油机缸体、机床焊接部件等)
否则加工后会破坏内应力的平衡,内应力要达到新的平衡,就会引起结构变形或尺寸不稳定。
④低温工作的结构
⑤可能产生应力腐蚀(在腐蚀介质和表面拉应力的共同作用下产生的腐蚀)和要求尺寸稳定的结构
⑥屈服极限大于490MPa(50kgf/mm2)的普通低合金钢。
强度越高,变形能力越差。
2 消除焊接残余应力的方法
(1)整体高温回火(去应力退火)
这是消除应力常用的方法,它是焊后将工件均匀加热到AC1点以下20-30℃(AC1点是发生固态相变的温度)(为何要低20-30℃,是因为回火温度不应超过母材的回火温度,以免发生相变,对低碳钢,加热温度一般为600-650℃),保温一定时间(一般按保温4-5分钟/每毫米厚计算,但不少于1小时),而后缓慢冷却(炉冷或空冷)。它的原理是,随温度升高,材料容易发生应力松弛。比如,低碳钢件,低碳钢加热到600℃,材料的屈服极限就下降到0,这时只要承受应力,就发生变形。一般,回火温度越高,保温时间越长,应力消除的越彻底。
整体退火可以消除80-90%以上的焊接应力,是生产中应用最广的方法。
(2)局部高温回火
如果结构太大或太长,就没有办法将它全部放入炉中进行整体加热,一般大件可在焊接应力高的地区进行局部退火,也能降低应力峰值。
(3)机械拉伸
焊接应力和变形是在焊接加热过程中高温区产生了局部压缩塑性变形的基础上产生的。如果焊后将整个结构进行整体拉伸,使接头拉应力区在外力作用下产生拉伸塑性变形。由于外力作用下产生的拉伸塑性变形和原来焊缝产生的压缩塑性变形可以相互抵消,因而就能消除焊接残余应力。
当然,脆性材料不适合作机械拉伸。
(4)温度拉伸
它的原理是用局部加热造成的温差来拉伸焊缝区,从而抵消焊接时的压缩塑性变形。在焊缝两侧各用一定宽度的氧乙炔火焰进行加热,火焰后同速跟有排水管喷水冷却,以提高加热处与其它部位的温差。这样,就形成了与焊接时相反的温度场,焊缝两侧的温度要高于焊缝区的温度,一般是高100-200℃。两侧金属的热膨胀就会造成对焊缝的拉伸塑性变形,所以可以获得很好的去应力效果。