鍋爐焊接應力消除

鍋爐被廣泛地應用于生產和生活的各個領域 中 ， 對工業生產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鍵的工序之一 ， 焊接 質量的好壞對于鍋爐的質量具有決定性的作用 。 隨著鍋爐的容量 、 參數和爐型變化以及復雜鍋爐 部件和鍋爐新材料的引入 ，使得其焊接結構尺寸 、 焊接工藝 、 施焊程序以及拘束大小都有了相應的 變化 ，殘余應力的水平也大不一樣 ，并且分布十分 復雜 。焊接殘余應力的峰值大小 、 分布狀態直接 對鍋爐的疲勞破壞和應力腐蝕開裂等產生不良影 響 。故需要確定合理的減少與消除焊接殘余應力 的對策 ，以達到提高鍋爐焊接質量 ，進而達到提高 鍋爐制造質量的目的 。

1　 焊接應力的形成機理

鍋爐的焊接過程是一個極不均勻的局部加熱 過程 ，這一過程造成金屬內部的不均勻膨脹和收 縮 。因此 ，從原理上講 ，焊接中所引起的應力和

形與不均勻溫度場引起應力變形的規律是一致 的 。但是 ，焊接的應力變形相對要復雜得多 。其 復雜性表現在以下三個方面 : （ 1) 焊接時有很大的 溫度變化范圍 。在焊縫中心部位 ， 最高溫度可以 達到材料的沸騰點 ，離開熱源溫度則急劇下降 ，因 此溫度梯度非常大 ; （ 2) 由于焊接時加熱溫度高 ， 且變化范圍大 ， 金屬材料的熱物理性能和力學性 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生相變 。 相變將引起許多物理和力學參量的變化 。對于構 成鍋爐的金屬材料 ，當焊接完成后 ，在構件中將產 生殘余應力和變形 。其根本的原因在于在焊接 時 ，焊接區因巨大的溫差將產生很大的不均勻變 形 ，而這種變形又受到周圍冷金屬的制約而不能 自由發展 。在加熱階段 ，由于不是自由膨脹 ，因此 同時也有瞬時熱應力 ，焊縫及鄰近區域為壓應力 ， 遠離焊縫兩側為拉應力 。由于焊縫及鄰近區域 T > 800 ℃，材料已喪失彈性 ， 被限制膨脹的部分產 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 ，因此也有殘余應力產生 ，焊縫及鄰 近區域被限制收縮而為殘余拉應力 ， 遠離焊縫兩 側則為壓應力 。

圖 1 為平板堆焊焊接過程中的溫度變化和由 此而引起的應力變化示意圖 ， 以速度 v 移動的焊

接電弧正位于 O 處 。

圖1　 焊接過程中溫度和應力變化示意圖

　　一般情況下 ， 焊件塑性較好 . 結構剛度較小 時 ，焊件自由收縮的程度就較大 。這樣 ，焊接應力 將通過較大的自由收縮變形而相應減小 。其結果 必然是結構內部的焊接應力較小而結構外部表現 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 ，則內部焊接應力就會較大 ，而 外部焊接變形則較小 。

2　 減少焊接殘余應力的方法

為了減少鍋爐焊接應力的產生及其不利影 響 ，應從設計和焊接工藝兩方面采取措施 。 2. 1 　 減少焊接應力的設計措施 盡量減少焊縫的數量 ， 在保證結構強度的前 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 ，按 JBl618 - 75 規定 ; 在 D （ 直徑) ≤ 2200 毫米時 ，焊縫不得多于一條 ;D > 2200 毫米 時 ，不得多于兩條 。爐膽 、 鍋殼每節筒體的縱向拼 接焊縫 ，D ≤ 1800 毫米時 ， 不得多于兩條 ;D > 1800 毫米時 ，不得多于三條 。焊縫不要密集 ，盡可能避 免交叉 。應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接 ， 以降低焊縫的拘束 度 ，減少焊接應力 。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 。可以將平板少 量翻邊 。也可以將鑲塊壓凹 ， 通過減少剛度來減 少焊接應力 。 2. 2 　 減少焊接應力的工藝措施 對重要結構或高強度鋼焊接時 ， 在焊前將構 件整體預熱到一定溫度 ， 再進行焊接 。預熱可使 焊縫區金屬和周圍金屬的溫差減小 ， 焊后又可以 比較均勻地同時冷卻 ， 從而減少焊接內應力 。對 塑性好的鋼材 ， 可用頭