鍋爐焊接應(yīng)力消除
鍋爐被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域 中 ， 對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和人民生活都有著巨大的影響 。 焊接是鍋爐制造過程中最關(guān)鍵的工序之一 ， 焊接 質(zhì)量的好壞對(duì)于鍋爐的質(zhì)量具有決定性的作用 。 隨著鍋爐的容量 、 參數(shù)和爐型變化以及復(fù)雜鍋爐 部件和鍋爐新材料的引入 ，使得其焊接結(jié)構(gòu)尺寸 、 焊接工藝 、 施焊程序以及拘束大小都有了相應(yīng)的 變化 ，殘余應(yīng)力的水平也大不一樣 ，并且分布十分 復(fù)雜 。焊接殘余應(yīng)力的峰值大小 、 分布狀態(tài)直接 對(duì)鍋爐的疲勞破壞和應(yīng)力腐蝕開裂等產(chǎn)生不良影 響 。故需要確定合理的減少與消除焊接殘余應(yīng)力 的對(duì)策 ，以達(dá)到提高鍋爐焊接質(zhì)量 ，進(jìn)而達(dá)到提高 鍋爐制造質(zhì)量的目的 。
1 焊接應(yīng)力的形成機(jī)理
鍋爐的焊接過程是一個(gè)極不均勻的局部加熱 過程 ，這一過程造成金屬內(nèi)部的不均勻膨脹和收 縮 。因此 ，從原理上講 ，焊接中所引起的應(yīng)力和
形與不均勻溫度場引起應(yīng)力變形的規(guī)律是一致 的 。但是 ，焊接的應(yīng)力變形相對(duì)要復(fù)雜得多 。其 復(fù)雜性表現(xiàn)在以下三個(gè)方面 : （ 1) 焊接時(shí)有很大的 溫度變化范圍 。在焊縫中心部位 ， 最高溫度可以 達(dá)到材料的沸騰點(diǎn) ，離開熱源溫度則急劇下降 ，因 此溫度梯度非常大 ; （ 2) 由于焊接時(shí)加熱溫度高 ， 且變化范圍大 ， 金屬材料的熱物理性能和力學(xué)性 能均隨溫度而變 ; （ 3 ) 由于焊接的溫度變化范圍 大
局部超過相變溫度從而引起局部發(fā)生相變 。 相變將引起許多物理和力學(xué)參量的變化 。對(duì)于構(gòu) 成鍋爐的金屬材料 ，當(dāng)焊接完成后 ，在構(gòu)件中將產(chǎn) 生殘余應(yīng)力和變形 。其根本的原因在于在焊接 時(shí) ，焊接區(qū)因巨大的溫差將產(chǎn)生很大的不均勻變 形 ，而這種變形又受到周圍冷金屬的制約而不能 自由發(fā)展 。在加熱階段 ，由于不是自由膨脹 ，因此 同時(shí)也有瞬時(shí)熱應(yīng)力 ，焊縫及鄰近區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力 ， 遠(yuǎn)離焊縫兩側(cè)為拉應(yīng)力 。由于焊縫及鄰近區(qū)域 T > 800 ℃，材料已喪失彈性 ， 被限制膨脹的部分產(chǎn) 生的是壓縮塑性變形 。在冷卻階段 ， 由于不是自 由的冷卻收縮 ，因此也有殘余應(yīng)力產(chǎn)生 ，焊縫及鄰 近區(qū)域被限制收縮而為殘余拉應(yīng)力 ， 遠(yuǎn)離焊縫兩 側(cè)則為壓應(yīng)力 。圖 1 為平板堆焊焊接過程中的溫度變化和由 此而引起的應(yīng)力變化示意圖 ， 以速度 v 移動(dòng)的焊
接電弧正位于 O 處 。
圖1 焊接過程中溫度和應(yīng)力變化示意圖
一般情況下 ， 焊件塑性較好 . 結(jié)構(gòu)剛度較小 時(shí) ，焊件自由收縮的程度就較大 。這樣 ，焊接應(yīng)力 將通過較大的自由收縮變形而相應(yīng)減小 。其結(jié)果 必然是結(jié)構(gòu)內(nèi)部的焊接應(yīng)力較小而結(jié)構(gòu)外部表現(xiàn) 的焊接變形較大 ; 相反 ， 如果焊件剛度大 ， 其自由 收縮受到很大限制 ，則內(nèi)部焊接應(yīng)力就會(huì)較大 ，而 外部焊接變形則較小 。
2 減少焊接殘余應(yīng)力的方法
為了減少鍋爐焊接應(yīng)力的產(chǎn)生及其不利影 響 ，應(yīng)從設(shè)計(jì)和焊接工藝兩方面采取措施 。 2. 1 減少焊接應(yīng)力的設(shè)計(jì)措施 盡量減少焊縫的數(shù)量 ， 在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前 提下 ，盡量減小焊縫截面尺寸和長度 。如鍋爐封 頭或管板拼接時(shí) ，按 JBl618 - 75 規(guī)定 ; 在 D （ 直徑) ≤ 2200 毫米時(shí) ，焊縫不得多于一條 ;D > 2200 毫米 時(shí) ，不得多于兩條 。爐膽 、 鍋殼每節(jié)筒體的縱向拼 接焊縫 ，D ≤ 1800 毫米時(shí) ， 不得多于兩條 ;D > 1800 毫米時(shí) ，不得多于三條 。焊縫不要密集 ，盡可能避 免交叉 。應(yīng)盡可能采用剛性較小的接頭形式 。可 用翻邊連接代替插入管聯(lián)接 ， 以降低焊縫的拘束 度 ，減少焊接應(yīng)力 。盡量降低接頭的剛度 。鑲塊
焊接的封閉焊縫 ，或其他剛性大的焊縫 ，可采用反 變形法 ，以降低焊件的局部剛度 ?？梢詫⑵桨迳?量翻邊 。也可以將鑲塊壓凹 ， 通過減少剛度來減 少焊接應(yīng)力 。 2. 2 減少焊接應(yīng)力的工藝措施 對(duì)重要結(jié)構(gòu)或高強(qiáng)度鋼焊接時(shí) ， 在焊前將構(gòu) 件整體預(yù)熱到一定溫度 ， 再進(jìn)行焊接 。預(yù)熱可使 焊縫區(qū)金屬和周圍金屬的溫差減小 ， 焊后又可以 比較均勻地同時(shí)冷卻 ， 從而減少焊接內(nèi)應(yīng)力 。對(duì) 塑性好的鋼材 ， 可用頭