焊接變形的分析與控制

焊接變形的分析與控制隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，焊接技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)工程中得到大量的應(yīng)用，焊接工件尤其是厚板件的變形現(xiàn)象也成為人們密切關(guān)注的焦點(diǎn)。在焊接過(guò)程中，焊接殘余應(yīng)力和焊接變形會(huì)嚴(yán)重影響制造過(guò)程、焊接結(jié)構(gòu)的使用性能、焊接接頭的抗脆斷能力、疲憊強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂能力。焊接變形在制造過(guò)程中也會(huì)危及外形與公差尺寸、接頭安裝偏差且增加坡口間隙，使制造過(guò)程更加困難，當(dāng)出現(xiàn)題目時(shí)還需采取一些費(fèi)時(shí)耗資的附加工序來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)，不僅增加本錢，還可能出現(xiàn)由此工序帶來(lái)的其他不利因素。因此，要得到高質(zhì)量的焊接結(jié)構(gòu)必須對(duì)這些現(xiàn)象嚴(yán)格控制。焊接應(yīng)力分析熔化焊接時(shí)，被焊金屬在熱源作用下發(fā)生局部加熱和熔化，材料的力學(xué)性能也會(huì)發(fā)生明顯的變化，而焊接熱過(guò)程也直接決定了焊縫和熱影響區(qū)焊后的顯微組織、殘余應(yīng)力與變形大小，所以焊接熱過(guò)程的正確計(jì)算和測(cè)定是焊接應(yīng)力和變形分析的條件。因此在焊接過(guò)程的模擬研究中，只考慮溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響，而忽略應(yīng)力場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的作用。同時(shí)，非線性、瞬時(shí)作用以及溫度相關(guān)性效應(yīng)等也會(huì)妨礙正確描述在各種情況下產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，并使同一系統(tǒng)化的工作很難完成。為使其簡(jiǎn)單化，實(shí)際中常用焊接性的概念作為一種分類系統(tǒng)，將焊接分解為熱力學(xué)、力學(xué)和顯微結(jié)構(gòu)等過(guò)程，從而降低了焊接性各種現(xiàn)象的復(fù)雜性。圖1所示的工藝基礎(chǔ)將焊接性分解為溫度場(chǎng)、應(yīng)力和變形場(chǎng)以及顯微組織狀態(tài)場(chǎng)。這種分解針對(duì)焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的數(shù)值分析處理很有價(jià)值。

在狹義上，焊接性又可理解成所要求的強(qiáng)度性能。影響強(qiáng)度性能的主要因素又包括化學(xué)成分、相變顯微組織、焊接溫度循環(huán)、焊后熱處理、構(gòu)件外形、負(fù)載條件以及氫含量等。因此可將圖1擴(kuò)展成圖2以夸大相變行為的影響。其中，圖1和圖2中的箭頭表示相互影響，實(shí)箭頭表示強(qiáng)烈的影響，虛箭頭表示較弱的影響。顯微組織的轉(zhuǎn)變不僅決定于材料的化學(xué)成分，也決定于其受熱過(guò)程（特別是與焊接有關(guān)的過(guò)程），特別是它在焊接接頭的熱影響區(qū)和熔化區(qū)的影響更加引人留意。圖1

顯微組織度與溫度、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)圖2

擴(kuò)展的顯微組織和溫度、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)之間的相互關(guān)系從客觀規(guī)律來(lái)看，構(gòu)件焊接時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)力，焊后產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并同時(shí)產(chǎn)生殘余變形。但一般人們?cè)谥谱鬟^(guò)程中重視的是控制變形，往往采取措施來(lái)增大被焊構(gòu)件的剛性，以求減小變形，而忽略與此同時(shí)增加的瞬時(shí)應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力，此時(shí)構(gòu)件在拉應(yīng)力作用下甚至可能出現(xiàn)裂紋。即使未產(chǎn)生裂紋，殘余應(yīng)力在結(jié)構(gòu)受載時(shí)內(nèi)力均勻化的過(guò)程中也會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件失穩(wěn)、變形甚至破壞。因此焊接應(yīng)力的控制與消除在鋼結(jié)構(gòu)制作過(guò)程中是十分重要的。焊接變形控制在焊接過(guò)程中，厚板對(duì)接焊后的變形主要是角變形。在實(shí)踐中一般采取控制變形的發(fā)法，即先焊正面的一部分焊道，翻轉(zhuǎn)工件，碳刨清根后焊反面的焊道，再翻轉(zhuǎn)工件，這樣如此往復(fù)。一般來(lái)說(shuō)，每次焊接3~5道焊縫后即可翻身，直至焊滿正面的各道焊縫。同時(shí)圖4

超生沖擊消除焊接應(yīng)力4.采用振動(dòng)時(shí)效法消除應(yīng)力振動(dòng)時(shí)效的原理是給被時(shí)效處理的工件施加一個(gè)與其固有諧振頻率相一致的周期激振力，使其產(chǎn)生共振，從而使工件獲得一定的振動(dòng)能量，使工件內(nèi)部產(chǎn)生微觀的塑性變形，從而使造成殘余應(yīng)力的歪曲晶格被漸漸地恢復(fù)平衡狀態(tài)，晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)逐漸滑移并重新纏繞釘扎，使得殘余應(yīng)力得以被消除和均化。振動(dòng)時(shí)效法具有周期短、效率高以及無(wú)污染的特點(diǎn)，且不受工件尺寸、外形和重量等限制，經(jīng)過(guò)大量的工程實(shí)踐證實(shí)，對(duì)消除工件應(yīng)力有明顯效果。5.利用沖砂除銹的工序進(jìn)行消除應(yīng)力沖砂