焊接残余应力的产生与消除方法

2022-07-15 10:55:19, 北京华欧世纪 北京华欧世纪光电技术有限公司

残余应力

压力容器焊接后，结构焊缝区会产生残余应力。它是由于焊接时不均匀加热的温度场所造成的内应力达到材料屈服极限，使局部区域产生塑性变形，当温度回到原始的均匀状态以后，内应力仍然残留在结构中造成的，故称残余应力。焊接残余应力的峰值大小、分布状态直接对容器的疲劳破坏和应力腐蚀开裂等产生不良影响。

研究证明，容器一经焊接，残余应力就不可避免地同时伴生，它的产生机理虽已被初步认识，但由于压力容器的外形尺寸、焊接工艺、施焊程序以及拘束大小的不同，残余应力的水平也大不一样，并且分布十分复杂,故需要确定合理的消除(或减少)焊接残余应力的对策，使压力容器在制造时，保证质量、经济合理；在役时，安全运行、杜绝事故。

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超载法

在可控条件下,对容器施加一次(或多次)比其工作状态下稍大的外载荷。该载荷形成的应力与容器局部存在的焊接残余应力叠加，合成应力低于材料屈服极限时呈弹性状态，应力与应变成直线关系；当合成应力达到材料屈服极限时，局部区域便产生塑性变形，随着外加应力值的增加，合成应力达到屈服极限的范围增大，产生塑性变形的范围也应相应增大，但应力值没有增加(或增加不多)。

由于容器本身是连续的，在外载荷卸除过程中，屈服变形区域与弹性变形区域同时以弹性状态回复，存在于容器内部的焊接残余应力被部分消除，被消除的残余应力的大小等于外加载荷产生的应力值。


整体热处理法

将焊接好的整个容器按一定的加热速度加热到500℃~Ac1的温度,并保温一段时间,使变形金属再结晶形成新的等轴晶粒,各种晶体缺陷基本消除，金属强度降低，韧性提高，使焊接残余应力得到松弛、释放而消除。
压力容器一般结构较大，不可能象其它小型设备或机械零件等那样放入加热炉内进行热处理。可以在容器外壁覆盖保温层，而在容器内部喷射燃料燃烧形成高温进行加热的内燃法，也可以采用电热法对容器进行整体的热处理。


局部热处理法

其原理与整体热处理相同，目前多采用红外板式加热器或履带式电阻加热器加热焊缝区，由于是局部加热，消除残余应力的效果不如整体热处理，只能降低内应力的峰值，使应力分布比较平缓，而不能从根本上消除，但局部热处理可以改善焊接接头的力学性能，处理对象往往只限于较简单的焊接接头。


温差拉伸法

针对焊缝区残余应力的分布状态，利用温差热效应形成一个反向应力场，从而消除残余应力的一种方法。此法消除效果的关键在于温差Δt的选择，Δt与材料屈服极限σs，模量E以及热膨胀系数β有关。
只要加温区和Δt选择适当，不致引起塑性变形而损失塑性储备，也不影响金属的金相组织，可以取得较好的消除应力效果，消除效果可达50%~70%，此法在焊缝较规则，厚度又不太大的板壳结构上有一定应用价值。


锤击法

焊缝金属在迅速均匀的锤击下产生横向塑性伸展，使焊缝收缩得到一定补偿，从而使该部位的拉伸残余应力的弹性应变得到松弛，焊接残余应力即可部分消除。


爆炸法

通过引爆布置在焊缝及其附近的炸药带，利用炸药在焊缝区瞬间爆炸的冲击波与残余应力的交互作用，使金属产生适量的塑性变形，残余应力因而得到松弛。
爆炸法处理不仅可以有效地消除焊接残余应力，而且在处理区域内产生一定量的压应力，从而使焊接接头提高了与拉应力有关的破坏抗力，对此，热处理是无能为力的。爆炸法对于在役的压力容器开罐检查中焊缝返修工程消除残余应力具有独到之处。


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