焊接应力范文1
关键字 焊接；钢制罐体；焊接应力，消除，变形；控制
中图分类号 TG404 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）012-0151-01
钢制罐体在焊接过程中产生的应力与变形容易使罐体表面形成各种裂纹，并造成热应力脆化，严重影响罐体的刚度、强度、抗压力、稳定性及加工精度。而焊接后的矫正措施，也会增加施工成本，减少效率；因此研究如何控制焊接应力和变形是极为重要的。
1 焊接应力与变形的基本原理
1.1 焊接应力原理与分类
焊接应力，也称焊接残余应力，是指在不均匀的加热和冷却的焊接过程中，焊缝在冷却至原始温度时，接头区及离焊缝较近处的拉应力与焊件主体的压应力区数值达到平衡的应力状态。焊接应力可按焊缝长度方向分为纵向，横向及径向焊接应力；按照应力分布范围可分为宏观、微观及超微观应力；根据空间结构可分为单向、双向和三向应力，根据形成应力原因可分为温度、拘束和组织应力；根据作用时间可分为瞬时和残余应力。
1.2 焊接变形的原理与分类
焊接变形是在焊接应力作用下， 焊件因约束较小会产生相应的尺寸变化或弯曲、翘曲变形。其中焊接变形可分为自由变形，以及外观与内部变形；焊接残余变形可分为纵向或横向收缩变形、弯曲变形、角变形、波浪变形以及错边变形。
2 钢制罐体焊接过程中应力与变形的“三段式”控制模型
2.1 钢制罐体焊接施工过程与现象描述
钢制罐体（以圆筒形为例）施工，按照施工流程顺序分为顺装法和倒装法，以倒装法为例，其施工流程主要为施工准备，基础验收；底板铺设 ，组对焊接圈壁， 罐顶组对焊接，安装倒装机具环缝焊接，罐底焊接；焊后处理验收，如充水试漏、防腐保温等。
罐体的纵缝在对接过程中，纵向应力分布规律为2端为压应力，中心部分为拉应力的横向应力，压应力的最大值比拉应力大得多，焊缝长度对横向应力有影响，长焊道中心部分的拉应力有所降低。在焊接工艺流程中，罐顶搭接焊缝易发生角变形，罐壁板对接成纵焊缝与环焊缝，都易发生角变形和局部凹凸变形，罐底对接焊缝易发生凹凸变形。
2.2 应力分布与变形原因
钢制罐体的焊缝焊接次序有先与后，先焊先冷却，后焊后冷却，焊接时先冷却的焊缝限制后冷却的焊缝的收缩，因此应力与焊接顺序、方向、方法有关；焊缝的分段焊接，如由中部向两端焊，则中部先收缩为压应力，2端后收缩为拉应力；温度沿径向分布不均，表面先冷却先收缩阻止中间后冷却后收缩时，使中层受拉， 外层受压；纵向也存在不均匀的温度场，使得近焊缝处受压应力，离远焊缝较远处受拉应力。
焊接变形主要由焊接时的内应力和局部不均匀加热和冷却而引起，不均匀的受热产生自由膨胀收缩与热源移动，使高温区受过高压应力产生压缩塑性变形，冷却后长度偏短。钢制罐体焊接过程中易产生体积收缩，使得焊缝纵向收缩产生压应力， 横向收缩造成角变形， 甚至会使底板产生波浪变形。 在焊接时高温至熔点再冷却后，钢制罐体组织会发生变化，由于比容不同而引起变形。焊接变形其大小与焊接线能量有关，随线能量增大使得压缩塑性变形区增大而使变形增加。
当然在焊接过程中，焊接应力和变形会受到焊接工艺、接头与坡口角度形式、罐体间隙、对口质量、焊接速度和顺序等的影响。
2.3 “三段式”控制模型
根据钢制罐体的施工过程，为了控制好焊接应力与变形应该着眼于焊接施工过程的每一个环节，这里我们可分为三段进行控制。
2.3.1 选材与焊缝设计控制
在焊接前，应做好施工准备和基础验收，可根据罐顶、罐壁、罐底的材料尺寸进行相应的焊缝设计。考虑到钢制罐体由钢板（弓形边缘板、中辐板）搭接而成，设计焊缝时，多采取双边对称或由中心向四周的辐射对称模式布置，一般选择刚性较小的接头形式以及规范的尺寸（如罐底搭接部位预留收缩余量设计），使得焊接能够均匀同步进行。
2.3.2 施工控制
在施工的过程中，首先要合理分析变形与应力的方向、量值以及相关的变化规律，从而选取合理的焊接方法与工艺流程，使焊接应力与变形在合理范围，控制力度趋于最小。钢制罐体常采用分段、分层以及对称焊接方法和半自动CO2保护焊工艺，以抵消焊接前的预变形，并使焊接效率相对高一些。在进行分段分层施工时，尤其要注意罐顶、罐壁和罐底的施工工艺与过程控制。
罐顶焊接时，焊缝应采用最小焊角高度和截面尺寸，优先选用半自动CO2保护焊工艺可使能量集中、热输入降低，且采用直径为1.5mm的焊丝可减少熔敷系数；对于罐顶的28个分瓣搭接，要合理的分为7个作业区域，按照焊接顺序，进行等速度同步的精心对称施工，可较好的控制变形；同时在采用倒装施工时，可利用外力作用反变形法抵消焊接变形，其基本原理是第一圈壁板先组对，钢制脚手杆由焊缝中部向外支撑固定。
罐壁焊接时，焊缝的坡口型式决定了其应力与热输入量大小，钢制罐体的对接焊缝易选用纵缝带钝边与环缝的下侧钢板不开坡口的单边V型坡口型式，使得热输入量最小，以降低变形；罐壁的8张钢板组对，形成8条纵缝和8个分区的环缝，可自下而上，按顺时针进行同步对称焊接，以抵消焊接应力与减少变形；罐壁在倒装施工时，可采取刚性固定锤击法，以减少纵缝焊接时因横向与纵向应力而产生的角变形，使焊道焊接应力消除，注意锤击时温度不可在200-300摄氏度范围内，以避免断裂现象。
罐底焊接时，最关键的是焊接的顺序的合理，应先焊接大角焊缝，再按照罐底轴线分四个作业区进行对称焊接，其中短纵缝区应优先焊接，长焊缝应由中间向两侧退焊，相邻两条不可同步进行，再次是中幅板四人同步焊接可减少热输入和焊接收缩，最后焊接八卦角焊缝；合理的焊接搭配可有效控制焊接变形。
2.4 焊后处理措施
焊接后的残余应力消除常用方法除上述罐壁的刚性固定锤击法外，还有应力释放法（包括切条法、车削法、刨削法、套孔法和小孔法）、振动法以及电加热器局部或加热炉整体退火等方法，采用时注意尺寸和工艺参数的选择。焊后宜用保温材料覆盖以便于热处理。
如果焊后须进行残余变形矫正，可根据罐体的实际结构形式和施工方案，选择合适的矫正方法。常用的矫正方法有机械矫正法、火焰矫正法以及混合矫正法。其中机械矫正法可利用气动、液压、螺旋器具加机械外力促进塑性延展变形；火焰矫正法不适用于具有晶间腐蚀倾向的不锈钢以及淬硬倾向较大的钢材；混合矫正可根据具体构件变形情况，将以上两种方法交替使用以消除变形。
3 结语
上述模型仅就圆筒形钢制罐体而言，为了保证罐体的总体质量，还须在每一个施工细节进行仔细的推敲。
参考文献
[1]张丽生，程晓燕，冯素英.焊接应力和变形的分析与探讨[J].现代焊接. 2010（03）.
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关键词：压力容器;焊接;残余应力;消除
前言
对压力容器焊接残余应力的消除方法主要有辐射加热法、锤击法、超载法等，作者结合自身多年经验，主要从这几方面消除焊接残余应力的方法进行分析。
1.焊接残余应力的概述
所谓焊接残余应力，就是在焊接的过程中，由于加热温度场不均匀，使得内应力达到材料的屈服极限，造成材料的局部产生变形的现象，在温度降低到原始均匀状态后，残留在材料结构中的内应力就是焊接的残余应力[1]。焊接残余应力的分布状态以及峰值大小对容器的应力腐蚀开裂以及疲劳破坏有着直接的影响，而且，容器在焊接的过程中残余应力是不可避免的，残余应力与容器的焊接工艺、外形尺寸、焊接程序等有着直接的关系，要避免或降低焊接残余应力对容器的影响，必须要了解残余应力的原理，才能有效的消除焊接容器的残余应力。
2.压力容器中焊接残余应力的消除策略
2.1 辐射加热消除残余应力
辐射加热消除残余应力的策略，主要是由热源把热量辐射至容器的金属表面，然后再由金属表面将热量传导至其他的方向，经常用到的辐射加热方式如电阻炉加热法、火焰加热法、红外线加热法等，实践效果非常显著。压力容器中焊接的残余应力主要是因为焊接处与整体结构之间的温差引起的，而要降低或消除焊接的残余应力，主要就是对焊接处以及容器整体结构之间的温差进行控制，而辐射加热的方式，可以将热量传道给容器，根据实际的焊接情况，对温差进行有效的控制，可以有效的实现消除压力容器残余应力的效果。
2.2 锤击法消除残余应力
捶击法主要是通过工具对容器的焊接缝隙金属进行迅速而均匀的锤击，在锤击之下会产生横向塑性伸展，这样能够使容器的焊缝收缩得到补偿，当然，具体的补偿程度与实际的情况有着直接的联系，这种操作主要是为了能够让焊接部分的残余应力弹力在拉伸的情况下变的松弛，从而达到消除部分焊接残余应力的目的[3]。例如，某工程对200m3球罐接管凸缘，在对这个球罐进行焊接的过程中出现贯穿裂缝的现象，这是不允许应用到工程中的，为此需要对其进行返修加强预热处理，然后再从内外侧同步的对裂缝处进行焊接，与此同时，还配有辅助的锤击工具对其进行分层锤击，通过降低焊接残余应力的峰值之后，才可对该容器的裂缝处完成焊接工作，并且，在后期的检查中未发现存在任何容器裂缝。从这里例子中不难看出，捶击法虽然是一种消除焊接残余应力的辅助方法，但是，该方法的应用效果十分显著，而且，操作方法也比较简单，只需要适度的对焊接区域进行分层锤击即可起到降低焊接残余应力的效果。
2.3 超载法消除残余应力
超载法是对焊接的容器施加一次或多次的外载荷，施加的外载荷要比正常的工作状态稍大一些，施加的外载荷产生的应力与焊接容器的残余应力叠加，如果合成的应力达到焊接材料的屈服极限时，那么焊接材料的局部区域就会产生塑性变形，而且，在外加应力不断增加的同时，合成应力达到的材料屈服基线范围也会随之增大，相应的材料产生塑性变形的范围也会逐渐增大，而这时的应力值是没有增加的，再加上焊接容器本身就具有连续性的特征，当外载荷移除之后，屈服变形的区域以及材料弹性变形区域也会在弹性的影响下回复，在这个过程中能够有效的消除焊接容器的一部分残余应力[4]。在采用超载法的实践中发现，超载法不仅能够消除容器焊接的残余应力，同时相比与其他方法来说操作比较简单，而且消除残余应力的效果十分显著，造价也比较低，具有较高的经济性，超载法也是当今压力容器中焊接残余应力消除的主要方法。
2.4 设计措施消除残余应力
对于压力容器中焊接残余应力的消除策略，还可以在容器焊接设计的过程中采取相应的措施。①减少焊缝的数量，容器的焊接残余应力主要来源于焊接，尤其是焊缝数量过多的情况下，相应的焊接残余应力也会随之增加，因此，要尽量减少焊缝数量，这样可以有效的降低容器的焊接残余应力;②和合理布置容器的焊接缝，并尽量采用刚性较小的接头，这样可以在焊接的过程中，能够降低焊接的残余应力，避免残余应力对焊接容器的影响。
2.5 工艺措施消除残余应力
除以上几种消除压力容器焊接残余应力的方式之外，还可以从工艺入手减小焊接残余应力，尽量将焊接残余应力控制到最低，这样避免残余应力对容器的影响。①要在压力容器焊接顺序以及焊接方向上进行控制，例如，要先对收缩量较大的焊接缝进行焊接、对受力较大的位置先对其进行焊接、对平面上存在交叉的位置进行先焊接等。②利用加热的方式消除压力容器焊接的残余应力，可以根据实际的情况对容器进行局部加热或整体加热，主要是控制焊接处与整体结构之间的温差，这样可以有效的减少压力容器的焊接残余应力。③可以利用冷焊法降低焊接的残余应力，主要原理也是对焊接处与整体结构之间的温差进行控制，尽量将其控制在最低。
3.总结
压力容器中焊接残余应力的消除具有多种方法，如本文提到的辐射加热法、锤击法、超载法等，每种方法在消除焊接残余应力的过程中都有着独特的优势，具体采用哪种方法要根据压力容器焊接的实际情况以及用途来选择，通过本文对压力容器中焊接残余应力消除策略的分析，焊接残余应力与容器的焊接工艺、外形尺寸、焊接程序等有着直接的关联，因此，在选择消除焊接残余应力的过程中，要对其他因素进行详细的分析，这样才能保证选取的焊接残余应力消除法的经济性、效益性。
参考文献：
[1]刘国伟，尚世显，黄文龙.焊接后热与焊后热处理温度对焊接残余应力松弛的试验研究[J].压力容器，2009（05）
[2]陈登丰.爆炸处理法消除焊接残余应力[J].压力容器，2012（01）
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【关键字】中低压管道；焊接；氩电联焊
引言
目前，在城市集中供热多采用电厂汽轮机抽汽作为热网供热汽源，再通过蒸汽对水加热为采暖热源，一般建设周期较短，基本上是当年建设当年投产，对于安装单位提出了较高的要求，既要保证质量，又要保证工期，蒸汽、疏水、循环水等中低压管道焊接选择合适的焊接工艺，是保证质量和按期完工的重要保证。采用氩电联焊工艺将是最佳的选择，氩电联焊工艺具有焊接质量高、焊接速度快、射线探伤合格率高、焊工易于掌握等特点，而被管道安装单位广泛采用。
1、采用氩电联焊工艺的优点
采用手工氩弧焊打底、手工电弧焊罩面焊接工艺（以下简称氩电联焊）比采用手工电弧焊焊接工艺有以下特点：a.焊接质量好，射线探伤合格率高根据焊接工艺评定选择合适的焊丝、钨极、焊接工艺参数及纯度符合要求的保护气体，能使焊缝根部得到良好的融合，且焊口内表面光滑、整齐，不易出现手工电弧焊打底焊接时可能出现的焊瘤、未焊透和凹陷等缺陷。当进行射线探伤时，氩电联焊工艺的探伤合格率明显高于手工电弧焊工艺，而且Ⅰ级片所占的比例显著增加，所以选用氩电联焊工艺更能满足中低压管道焊接的要求。b.效率高、速度快、易于掌握选用手工氩弧焊打底，由于氩弧焊为连续焊接工艺，而手工电弧焊为断弧焊，通过模拟实验发现，同一焊工采用氩电联焊工艺和手工电弧焊工艺焊接同样的焊口，氩电联焊工艺的焊接效率是手工电弧焊的2～4倍，而且焊口成型好。在同样的障碍下氩电联焊比手工电弧焊更容易克服障碍。c.工艺易于掌握、容易操作熟练的焊工操作氩弧焊明显比手工电弧焊顺手，经过培训可以胜任焊接工艺要求的焊接部位，可以大大降低焊工的劳动强度，而受到焊工们的欢迎。d.综合效益明显经过我单位在科右中热电厂供热首站的管道焊接，我们综合测定发现氩电联焊工艺效益明显，比手工电弧焊可以降低施工综合成本10～20%，而且明显缩短工期。
2、氩电联焊工艺
2.1工艺简介
科右中热电厂供热首站的管道焊接选用氩电联焊工艺，焊接时采用V型坡口、对接，焊层一般为2～3层（可视管壁厚度而定），焊机选用ZX7-400氩弧焊机，焊丝选用上海电力焊丝厂TIG-J50、Ф2.5mm焊丝，焊条选用天津大桥牌E4303、Ф2.5mm或Ф3.2mm焊条。
2.2作业程序
焊接施工过程包括对口装配、施焊和检验等三个重要工序。本道工序符合要求后方准进行下道工序，否则禁止下道工序施工。焊接施工时，相关专业人员应对各工序进行严格把关。
a.焊接作业程序：焊材、管子检查坡口制备、打磨对口装配对口检查对口点固焊点焊氩弧焊打底焊打底焊检查手工电弧焊外观检查自检、复检、抽检无损检验。
2.3管道及附件的清点和检查
a.管子检查：管子必须具有制造厂的合格证明书，有关指标应符合国家或行业标准。管子表面的划痕、凹坑、腐蚀等局部缺陷应经检查鉴定。检查坡口加工情况，要求坡口处母材无裂纹、重皮、破损、夹层和毛刺等缺陷。管子的材质、规格均应符合设计要求。对接管口端面应与管子中心线垂直其偏斜度不得超过表3规定。
b.管道、管件、管道附件在使用前应进行外观检查，要求为：无裂纹、缩孔、夹渣、粘砂、折迭、漏焊、重皮等缺陷，表面应光滑，不允许有尖锐滑痕，阀门应经检修并水压试验合格，对合金管道管件应进行光谱检验。
2.4坡口制备、打磨
坡口的制备应以机械方法进行。如用热加工法（如气割）下料，切口部分应留有加工余量以除去淬硬层和过热金属。坡口修整时使用磨光机；施焊前将坡口及其内外壁两侧15～20mm范围内将锈、油、垢和氧化皮等清理干净直至露出金属光泽。不同厚度焊件对口时，其厚度差处理方法按规范执行。
2.5对口装配
对口质量对焊接质量有很大的影响，对口质量必须得到保证。
a.焊件对口装配时，应将管子垫置牢固。焊口的局部间隙过大时应设法修整到规定的尺寸严禁在间隙内加填塞物和在管道上焊接临时支撑物。除设计规定的冷拉口外其余焊口应禁止强力对口更不允许利用热膨胀法对口以防引起附加应力。
b.对口时使用的钢丝绳等不应影响到焊工的操作。对口时的支点和吊点与焊缝中心的距离不得小于焊件厚度的5倍。
c.焊件对口时应做到内壁齐平。对接单面焊局部错口不超过壁厚的10%且不大1mm。
2.6点固焊
a.经对口三级检查合格的焊件，对于大径厚壁管点固焊时，采用“定位块”点固在坡口外管壁边上。
b.点固焊用的焊材和焊接工艺与正式焊接时相同。点固焊后应检查各个焊点质量，如有缺陷应立即清除，重新进行点焊。点固焊时和施焊过程中不得在管子表面引燃电弧。
2.7氩弧点焊（打底焊）
氩弧点焊（打底焊）由施焊焊工操作，钳工不得自行点焊。点焊工艺及焊接材料与正式施焊一致。中管点焊长度为30-40mm，大管点焊长度为60-80mm，中管、大管点焊三点或四点均匀分布在管子上。点焊后应检查各个焊点质量，如不符合质量要求，应立即清除，重新进行点焊。检查合格后，氩弧打底满焊。
2.8手工电弧焊施焊
a.焊接时，若被迫中断时，应采取保温等适宜的措施。再焊时，应仔细检查并确认无裂纹后，方可按照工艺要求继续施焊，直至焊完。
b.施焊中，应特别注意接头和收弧质量，收弧时应将弧坑填满，多层多道焊的接头应错开。
2.9焊接检验
管道焊缝在100%焊缝外观检查的基础上，按照GB3323-87进行射线探伤，探伤合格后进行水压试验，水压试验均一次成功。供热首站管道焊接采用氩电联焊工艺射线探伤结果。
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只有保证较高的焊接质量，才能保证各种压力容器的安全运行，防止各种事故的出现，最大程度保障操作人员的安全。因此，不断分析研究各种新型的焊接技术，提高焊接技术的水平，是各压力容器制造厂家十分关注的课题。而通过不断的研究与努力，近些年来，我国的压力容器焊接技术也取得一定的发展与进步，涌现出不少新型的焊接技术。本文，我们即围绕压力容器焊接新技术进行分析，并研究其具体应用。
一、窄间隙埋弧焊技术分析及应用
在实际制作压力容器的过程中，有时会遇到压力容器壁较厚，例如厚度超过100mm的情况。在这样的现实情况之下，如果利用以往的焊接技术，使用常规的U型坡口的方式进行焊接，很难达到令人满意的焊接效果，影响到压力容器的最终品质。并会浪费大量的宝贵资源，例如能源和人力、时间等。但新型窄间隙埋弧焊技术的应用，可以使这一难题迎刃而解。
1、窄间隙埋弧焊。窄间隙埋弧焊技术是在传统焊接方法和工艺基础上发展得到的，综合利用了特殊的焊丝和保护气，以及先进的导入技术和焊缝自动跟踪技术等。应用以来，不少企业都在积极的关注并应用窄间隙焊接技术。但是，厚壁压力容器的焊接质量需要具备较好的稳定性，一旦出现焊接缺欠，修复小间隙的焊缝十分困难，极易导致无法处理而最终予以切断，降低了生产效率。
2、窄间隙埋弧焊技术的优势和缺陷。应用优势：（1）焊接速度较快，生产效率较高；（2）节约了大量资源，例如母材和焊丝以及电能等，可有效降低生产成本；（3）焊接过程中，前道焊道过程可以有效的对后面的工序进行预热，而后道焊道还可以对前一道焊道进行回火，从而保证焊接的接头机械性较高；（4）有效减少残余应力和形变；（5）有利于实行自动化生产制造。（6）熔敷率较高，可以有效提高焊接效率。但是，窄间隙埋弧焊技术也存在一定的应用缺陷，例如后期的修补困难较大，装配所需要的时间较长，对工作人员的技术水平要求较高等。
3、窄间隙埋弧焊技术的应用要点。（1）要具备可靠的双侧横向，并具有较强的自动跟踪功能；（2）每条焊道与坡口侧壁的熔合都要保证均匀良好，且因为母材大多具有较高的含碳量，所以要保证熔入的母材金属含量要适当；（3）焊道要尽量保证薄而宽，以对过热粗晶区的实际性能进行充分的改善。
二、接管自动焊接技术分析及应用
1、接管与筒体自动焊接。在传统的焊接出咯过程中，经常会用到马鞍形状埋弧焊接设备，但实际的运动轨迹无法满足 实际需求， 并且在厚度较大和存在窄间隙坡口的时候应用效果较差。此时，我们便可以利用接管自动焊接技术。接管马鞍形埋弧焊接设备 自动化程度各适应性都较高，且操作方便，控制迅速。其中，接管的实际内径采用四连杆夹紧的方式保证自动定心；焊接对象的筒体和接管直径是焊枪运行轨迹的主要参数，从而保证焊接的自动化；同时，通过人机交互的操作界面，可以直接控制各项焊接参数，有效实现连续焊接。而且，利用接管马鞍形埋弧焊接设备得到的焊道能够进行自动排列；接管马鞍形埋弧焊接技术还具有断点记忆和自动复位的功能；在实际应用过程中，大厚度、窄间隙坡口适合使用超薄大功率焊枪，对窄间隙坡口则适合采用一层两道自动埋弧焊方法。
2、接管与封头自动焊接。具体来分，接管与封头的焊接有两种形式，即向心接管和非向心接管的焊接。封头接管埋弧自动焊机 一共有6 个悬挂于十字操作机上的运动轴。在开始自动焊接之前，要先进行设备的自动定心，利用焊枪在接管的外壁进行自动寻位，保证焊枪的旋转中心自动定位于接管的中心线上。自动定心的方式极大的缩短了原有人工定位所花费的时间，提高了工作效率。自动定心结束之后，要通过焊丝端部进行自动寻位，将焊缝高度方向上出现的改变记录下来，实现自动跟踪，完成非向心接管焊接；设备中还包括了横向跟踪传感器，在焊接的时候，可以跟踪接管外壁，使焊丝与坡口侧壁的距离保持较高的一致性。
三、弯管内壁堆焊技术分析及应用
在实际使用过程中，在经历长期的使用之后，不少压力容器的接管内壁都会出现不同程度的腐蚀现象。所以，在制造各种压力容器的过程中，需要在其接管内壁堆焊不同的不锈钢耐磨层。但是，在实际操作过中，会极大的提高弯管内部堆焊设备的设计难度。在实际进行焊接的时候，如果对30°弯管内壁的堆焊无法满足90°弯管实际焊接要求的时候，则需要将90°的弯管分为三部分，对三部分进行分步焊接之后，才能组合在一起，完成对90°弯管的焊接工作。于是，随着焊接技术的不断发展，弯管内壁自动堆焊技术开始被应用到实际生产过程中。
1、30°弯管内壁堆焊。30°弯管内壁堆焊的具体方式是沿圆周环自动堆焊，具体操作为：自动堆焊机利用5轴进行协调运动，按照叶定的数学模型对焊道进行自动排列。工件保持3轴运动，第一，保持匀变速旋转，并保证与焊枪的摆幅宽窄变化情况一致相，焊接速度保持恒定；第二，每焊一圈，便对摆角进行变位，保证下一圈焊缝位于与焊枪垂直的平面之内；第三，工件焊一圈，进行平移变位，保证下一圈焊缝的圆心位于旋转中心。焊接机头进行2 轴运动，完成一圈堆焊，焊枪即需要后退一个位移，然后进行下一圈堆焊；焊接的时候，焊枪要保持变摆幅运动，保证堆焊层厚度的均匀性和一致性。具体参照的数学模型要以弯管的曲率半径和内径为参考。
2、90°弯管内壁堆焊。90°弯管内壁堆焊 是沿着弯管母线的纵向自动堆焊，具体方法为：将工件安装在二维变位机上，通过工件的旋转来进行焊接；工件翻转，每一条焊道都保持平焊位置；90°弯曲焊枪安装于三维导轨上，保证焊枪的自动变位。
四、结语
总体来看，焊接技术的应用效果会对压力容器的最终品质产生极大的影响。所以，在实际制造过程中，我们要积极的分析研究各种焊接新技术，并积极的应用于实际制造过程中，以不断提高压力容器的品质。我们相信，随着技术的不断发展和各种实践经验的不断积累，压力容器的焊接技术将会得到进步一的发展，压力容器的最终品质也将得到不断的提高。
参考文献
[1]王绍霞.徐国军.张海涛.浅谈压力容器焊接质量控制措施[J].中小企业管理与科技：下旬刊，2011（02）：23-24.
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伴随经济社会的快速发展，我国出现巨大能源缺口。核能属于相对清洁、安全与低廉的新型能源，其重要地位日益突现。核反应堆有着极强的辐射性，核压力容器生产材料要选择优质材料，严格把控核压力容器生产质量与使用时段内的质量。能源需求的不断加大，推动进一步提高核电站数量和反应堆单堆的容量，生产大型化与复杂化的核压力容器，更我依靠焊接工艺来完成。本文探讨焊接工艺对厚壁核压力容器焊接残余应力的影响，以期为生产厚壁核压力容器焊接时消除残余应力与控制变形提供建议。
关键词：
焊接工艺；厚壁核压力容器；残余应力；影响
现代工业发展与科技进步，海洋工程、航空航天、核动力工程等领域越来越广泛运用焊接工艺。焊接工艺是集传热、电弧物理、冶金和力学等于一身的复杂过程，成为将金属材料连接成构件的极为重要手段。在生产核压力容器时，它更是起到无可替代的作用。为了提升能源安全级别，降低核辐射带给自然界与人类社会的危害，务必要确保核压力容器的质量。因此，探讨焊接工艺对厚壁核压力容器焊接残余应力的影响时，了解焊接当中构件所带的残余应力与大小分布特点，以确保焊接接头安全性，从而保证核压力容器的质量。
1现有情况
20世纪70年代日本大阪大学的上田幸雄教授等人根据有限元法，分析焊接残余应力的应变过程。自此之后，有限元模拟技术开始快速发展，有限元模型的建立简化了复杂的动态焊接应力分析过程。虽然我国在这方面的研究起步较晚，但是发展速度较快，且已获得一定成果。20世纪80年代初，以陈楚为首的研究人员对热弹塑性理论进行系统化的分析，推导出有限元计算公式，并编制出相对应的计算机程序。20世纪90年代，我国学者对这一领域进行更加深入的探索。目前，在确保焊接结构的稳定性的前提下，采用不同方法去除焊接残余应力的求值计算方法得到快速发展。只不过要完全达到实践需要，还有待进一步研究。
2现有问题
目前焊接残余应力的探索有了很大的进步，但是难以应对实际工程的要求。利用数值分析法控制复杂的焊接结构的残余应力的措施还有很多不足之处。第一，缺少足够的材料热物理性能重要数据，如:密度、导热系数与比热容等。第二，缺乏热源分布参数数据，有待进一步探讨多层焊缝、开坡口焊缝等的热源分布方式。第三，如何选取焊接热源的热效率资料较为分散，存在比较大的误差。第四，处置焊接熔池的方式存在问题，未把焊接熔池内部液态金属的对流传热特性纳入考虑范畴之内。第五，我国分析复杂核压力容器焊接残余应力的水平尚处在初级水平。待深入研究与探索焊接数值模拟技术的意义与作用，对焊接现象的本质有了更加精准的认识之后，方可把焊接残余应力精确计算出来，以提供可借鉴的理论。
3焊接温度场的分析理论
模拟焊接应力与应变的前提就是温度场，计算应力与应变的参考数据就是由流动准则、屈服准则、热弹塑性与强化准则所构成的基本理论。运用ANSYS软件模拟焊接过程时，上述理论和依据用来判定材料有无屈服、如何进行流动与强化，同时成为计算材料出现弹性与塑性变形时应力与应变关系的理论标准。屈服准则主要用来确定材料开始出现塑性变形的应力状况，计算单值的等效应力，并将结果与屈服强度进行对比，以得出材料的屈服时间。流动准则主要是从几何的角度出发，说明塑性应变增量向量与成与屈服面的法向，两者方向始终是一致的。强化准则主要用来阐释初始屈服准则是如何跟着塑性应变的增加而变化发展的。热弹塑性基本原理主要用来计算焊接全过程动态应力与应变的变化过程及最终的残余应力与变形的态势。
4焊接工序的影响力
4.1焊接流程参数作用于残余应力焊接残余应力出现的关键因素就是有不均匀的温度场存在。出现裂纹重大原因就是焊接残余应力。运用不同的焊接工艺参数，如：1350℃、1420℃、1490℃，焊接之后的出现的等效残余应力的变化走势是相同的。处在焊缝中心，其应力是最大的，距离焊缝中心越远，距离增加的同时，而应力会慢慢降低。其中，使用1350℃和1490℃焊接工艺参数，焊接之后应力的变化态势呈现大致相同的曲线，两者应力数值分别为360.28MPa和369.34MPa。而使用1420℃的焊接工艺参数，焊接之后应力的变化态势曲线，与前两个曲线相比，其态势略为走高，其应力值也是三者中最大的，为370.22MPa。据此可知，使用不同的焊接工艺参数，影响着焊后残余应力的大小。
4.2坡口形式作用于焊接残余应力焊接厚壁核压力容器时，有很多因素会影响焊接残余应力，坡口形式就是其中之一的影响因素。因此，在操作过程中，极为重要且必不可少挑选合宜的坡口形式与尺寸。就40mm宽I型坡口、35mm宽I型坡口及35mm宽双U型坡口等三种不同坡口形式而言，利用有限元算出结果来证明其作用于焊接残余应力的大小。在焊接结束后,出现于焊缝中心的等效应力值都不一样，40mm宽的I型坡口焊接后残余应力最大,其应力值460.12MPa，35mm宽的I型坡口焊接后残余应力位居第二,为420.68MPa，35mm宽的双U型坡口焊接后残余应力最小，为370.36MPa。三个坡口形式的相同之处在于，处在焊缝中心的应力最大，离焊缝中心越远，应力慢慢降低。所以，在有着相同宽度的焊缝的情况下，焊接应力相对较小的是双U型坡口；在有着相同的坡口形式的情况下，焊接后残余应力相对较低的是35mm宽。
4.3焊接后热处理工序作用于焊接残余应力去除焊接残余应力才能确保焊接结构的安全与牢靠，热处理成为去除焊接残余应力常用手段。在35mm宽的I型坡口完成6道焊接后，对其执行热处置，回火温度640℃，分别放在炉中保温1-7h，再行冷却，以去除残余应力。试验结果表明，没有执行热处理之前，焊缝处的等效应力值为最高，执行热处理之后，焊缝中心的等效应力相对降低。热处理之前焊缝中心的应力峰值为421.86MPa，执行热处理之后，等效应力相对较大的出现在1小时与7小时后,分别为351.32MPa和341.71MPa。等效应力相对较低的出现在2小时、3小时与4小时后，分别为270.14MPa、269.56MPa和267.97MPa。据此可知，执行热处理可以有效减少焊接残余应力，引起重新分布焊接残余应力，并且处在640℃的高温下，执行2小时热处理，可以让残余应力得到更好清除。
5结束语
社会经济发展，能源的需求变得越来越大，能源供给面临巨大挑战。核能有着广阔的开发前景，应当大力开发与使用。同时，不可忽略能源的安全与可靠性问题。日趋复杂化的核压力容器，给能源安全与可靠性带来新的考验。而焊接工艺成为决定其质量的重要手段，务必要进一步加以改进。本文探讨了焊接工艺对厚壁核压力容器焊接残余应力的影响，希望以此为核压力容器质量的改进方法的执行提供参考意见。
参考文献
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焊接应力范文6
关键词：焊接 残余应力 物理特性
中图分类号：P755.1 文献标识码：A
焊接是一种运用（多数情况下为局部）加热或加压手段、添加或不添加填充材料将构件不可拆卸的链接在一起或者在基材表面堆敷覆盖层的加工工艺。由于高度集中的瞬间热输入，在焊接后将产生相当大的残余应力（焊接残余应力）。与载荷应力相比，焊接残余应力是发生在没有外力情况下的内力。实际上，在各种机械和及其的加工制造过程中，构件内部都将产生残余应力。所产生的残余应力的状态，特别是其应力值的大小、应力的分布是随着各种加工方法不同而有差异的。
焊接作为钢结构中的重要工艺,是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程,直接关系到工程质量的好坏、结构的安全。焊接结构广泛用于航天、桥梁、压力容器等工业中,焊接过程中的加热和冷却循环不可避免地导致残余应力的产生[1]。残余应力将影响到腐蚀、开裂、疲劳强度等力学性能,同时也会对材料的物理机械性能产生巨大影响,对结构的强度造成很大危害,
历史上许多灾难性破坏事故大多是由结构中的残余应力引起[2]。因此,研究和测量构件中残余应力对生产和科学试验有着重大的意义。
一、残余应力产生原理
残余应力是在无外力作用时,以平衡状态存在于物体内部的应力。残余应力的机械测定，就是将物体进行切槽或切取，使残余应力部分释放或全部释放，用实验方法测出释放时所产生的形变，据此求出残余应力。
二、焊接残余应力的概念和分类
焊接构件由焊接而产生的内应力称为焊接应力,按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中,某一瞬时的焊接应力称为焊接瞬时应力,它随时间而变化;焊后残留在焊件内的焊接应力称为焊接残余应力[3,5]。
焊接应力按其发生源来区分，有如下3种情况：
1、直接应力：这是进行不均匀加热和冷却的结果，他取决于加热和冷却的温度梯变，是形成焊接残余应力的主要原因。
2、间接应力 这是由焊前加工状况所造成的应力。构件若经历过轧制或拉拔时，都会使之具有此类残余应力。这种残余应力在某种场合下会叠加到焊接残余应力上，而在焊后的变形过程中，往往也具有附加性的影响。另外焊件受外界约束产生的约束力也属于此类应力。
3、组织应力这是由组织变化而产生的应力，也就是相变造成的比容变化而产生的应力。他虽然因含碳量和材料其他成分不同而异，但一般情况下，这种影响必须到加以考虑的是，发生相变的温度和平均冷却速度。
残余应力一般主要是由1、情况的直接应力所造成的。在此有必要的这种温度梯度所造成的影响做更进一步的探讨。在加热过程中，一般在物体内，如果其各部分呈不均匀的温度状态时，各部分的热膨胀数量就不同，由于彼此间相互制约就产生热应力。
三、 焊接残余应力产生的原因及影响因素
焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。焊接应力按其发生源来区分,有如下3种情况:1)直接应力。这是进行不均匀加热和冷却的结果,它取决于加热和冷却时的温度梯度,是形成焊接残余的主要原因。2)间接应力。这是由焊前加工状况所造成的应力。构件若经历过轧制或拉拔时,都会使之具有此类残余应力。这种残余应力在某种场合下会叠加到焊接残余应力上去,而在焊后的变形过程中,往往也具有附加性的影响。另外焊件受外界约束产生的附加应力也属于此类应力。3)组织应力。这是由组织变化而产生的应力,也就是相变造成的比容变化而产生的应力。它虽然因含碳量和材料中其他成分不同而异,但一般情况下,这种影响必须要加以考虑的是发生相变的温度和平均冷却速度。焊接应力的产生和发展是一个随加热与冷却而变化的材料热弹塑性应力应变动态过程。以熔焊方法为例,影响这一过程的主要因素有以下两个方面:
1)材料物理特性和力学性能的影响。一些常用材料的热物理特性在给定的温度T区间的平均值见表1。热导率λ,比热容c,密度ρ或由这几个参数联合表示的热扩散率α=λ/cρ,以及热焓S是影响焊接温度场分布的主要物理参数。线膨胀系数a随温度的变化则是决定焊接热应力、应变的重要物理特性。
2)不同类型焊接热源的影响。焊接时的热输入是产生焊接应力的决定性因素。焊接热源的种类、热源能量密度的分布、热源的移动速度、被焊接件的形状与厚度都直接影响着热源引起的温度场分布,因而也改变着焊接残余应力的分布规律。
四、 焊接残余应力的消除方法[5]
由于构件中残余应力的不良影响,科技人员针对构件中残余应力的控制与消除做了大量的工作:1)通过改善加工工艺参数,尽量减少残余应力;2)提出一些消除残余应力的措施。
4.1 热处理法
用热作用消除残余应力与蠕变和应力松弛现象有密切的关系。热处理法是将焊接构件整体或局部以一定的加热速度加剧到A1相变点以下适当温度,数小时或数日的长时间保温,然后再进行缓冷的过程。这种方法不仅能消除焊接残余应力,而且还能使大多数钢的焊接区材质得到改善。
4.2 拉伸法
这是在构件的断面上,仅仅施加均匀的拉应力使之产生塑性变形,它的方向与焊接时压缩塑性变形相反,并由此而使应力得到松弛的方法。
4.3 振动法
这种方法是把小构件安装在适当的台上并给予振动,对大型构件可直接将振动设备夹固在适当支撑的构件上进行振动,振动的大小需根据焊件的重量和几何形状等因数来确定。根据有关资料,振动应力在20MPa～35MPa的范围内振动效果最佳。这种处理方法的优点在于设备投资不到热处理的10%,生产费用为热处理的10%左右,节约能源98%以上。
4.4 爆炸法
爆炸处理消除焊接残余应力是近30年来出现的一种新的消除残余应力工艺。我国从20世纪80年代初进行此项技术的研究和应用推广工作,已经取得了较好的社会经济效果。这一方法是用适当的炸药以适当的方式在焊接构件上的焊接残余应力区内引爆,利用爆炸冲击波的能量使残余应力区产生塑性变形,从而达到减少或消除残余应力的目的。研究证明,爆炸处理不仅可以完全消除焊接区残余拉应力,如果需要还可以在焊接区造成残余压应力。
五、结余
1）伴随焊接过程的进行,会在焊接构件的内部产生自相平衡 的内应力。根据作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。
2)焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。按其发生源来区分可分为直接应力、间接应力、组织应力。焊接残余应力一般主要是由直接应力造成的。
3)以熔焊方法焊接的构件,其焊接残余应力的大小和分布主要与材料物理特性和力学性能、不同类型焊接热源等有关。
4)焊接残余应力在焊接结构中普遍存在,只要采用适当的处理方法是可以减小或消除的。
参考文献:
[1] 程书力.基于温度和应力场的焊接残余应力数值分析[D]. 南昌:南昌大学建筑工程学院硕士学位论文,2007.
[2] 陈会丽,钟 毅,王华昆,等.残余应力测试方法的研究进展 [J].云南冶金,2005,34(3):1232124.
[3] 佘昌莲.焊接结构的残余应力研究[D].武汉:武汉理工大学 交通学院硕士学位论文,2006.
[4] 翟晓鹏,张系斌,刘泰凤.T型钢节点焊接残余应力及变形 研究[J].山西建筑,2007,33(8):57258.
