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不锈钢焊接工艺的研究进展

来源:至德钢业 日期:2020-06-13 02:42:45 人气:122

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焊件不可拆卸地连接在一起或在基材表面堆敷覆盖层的加工工艺。我国焊接技术在工业中应用的历史虽然不长,但却发展非常迅速。由于焊接方法经济、灵活;采用焊接结构与铆接结构相比,能简化焊件结构的构造细节,节约材料,提高生产效率,改善工人劳动条件。因此,目前船舶、机车、桥梁、车辆、锅炉等工业产品,以及能源工程、海洋工程、航空航天工程、石油加工工程、大型厂房、高层建筑等重要结构,无一不采用焊件结构。焊件结构有自己的特点,只有正确地认识、切实地掌握它的特点,才能设计制造出性能良好、经济指标高的焊件接结构。历史上许多焊接结构失效的实例追其根源,多属于未考虑焊件结构的特点有关。进入20世纪90年代以来,我国不锈钢的消费量增长很快。1 997年我国不锈钢的表观消费量超过了1 00万吨,20 01年达到220万吨,居世界第一位。以后逐年大幅度增长,20 05年达到522万吨,连续5年成为世界上最大的不锈钢消费国家。

不锈钢由于其优良的耐腐蚀性能,在我国的经济建设中占有举足轻重的地位,被广泛应用于船舶、车辆、汽车、宇航、桥梁、建筑、压力容器、贮罐、建筑机械、管线及家电设备等行业。在不锈钢加工工艺中,焊接是最主要的必不可少的加工技术。焊件的数量、品种、规格在不断地增加,对焊接工艺和质量的要求也越来越高。而且随着技术的引进,国外的不少不锈钢的品种和牌号、新焊接材料、新焊接技术、新焊接工艺在国内市场所占的比重逐步增加,因此对国内的焊接技术人员也提出了许多新的问题。

与国外相比,我国的不锈钢焊接技术水平存在一定的差距,主要表现在焊接设备(国内目前无一家具有自主知识产权的先进设备生产厂家,高端焊机完全依赖进口,中低端焊机厂家间竞争激烈,在技术研发方面投入少)、焊接工艺(大部分焊接工程技术人员及焊工不熟悉不锈钢的焊接)和焊接材料(焊材研发能力弱,优质焊材主要靠进口)等方面。另外,我国执行的标准同国外相比,也比较落后,因此迫切需要我们加强不锈钢焊接工艺与材料的研究工作,致力于产品质量的提高,保证产品质量的稳定,迅速缩小与国外先进水平的差距。同时加强对高品质特种不锈钢焊材的研制开发与生产,适应市场的需求,降低成本,增强自身的竞争能力,为我国的经济建设做贡献。

国内对不锈钢焊接工艺的研究主要集中在减少与消除残余应力和措施。在焊接结构生产中,常常采取如下的生产工艺措施以防止和减少钢焊接残余应力与变形。

1.选择合理的装配和焊接程序

尽可能考虑焊缝的自由收缩对于大型焊件应从中间向四周对称进行。如工字梁在对焊接时,无论先焊面板或是腹板的接头,横向收缩会在角焊缝内引起很大应力,甚至产生裂缝,所以应设法使它能自由收缩。为此可采取将角焊缝留出一段后焊,使对接接头的横向收缩能自由地进行。

收缩量大的焊缝先焊对带筋板的工字梁,如先进行面板和腹板的焊接,再焊筋板的角焊缝,则由于角焊缝的横向收缩很大,会在面板和腹板的角焊缝内造成很大的焊接应力。采取对称焊接对于刚性大而断面对称的焊件,施焊时可采用对称的焊接程序,这对于保证焊件得到最小的弯曲变形是十分有利的。对称布置的焊缝,应采用双数焊工对称的进行焊接。采用焊缝的不同焊接法在焊接长焊缝(1 m)时,可采用分段退焊法、跳焊法、交替焊法;对中等长度(0.51 m)的焊缝可采用分中对称焊法。

2.反变形法

所谓反变形法,就是根据焊后变形的情况,预先给以一个方向相反、大小相等的变形,使焊件焊后变形很小甚至完全消失。采用此法时,应预先确定反变形的数值,以便达到消除焊后变形的目的。反变形的数值,无数据可供查询,一般是凭经验进行估算。

3.刚性固定法

由于刚性大的焊件焊后变形小,因此如果焊前加强焊件的刚性,同样也可以减小焊接变形。所以刚性固定法是采用强制手段来减小焊件焊后变形的有效办法。刚性固定是一般采用定位焊或简单工装夹具将焊件固定在平台或胎架上以达到减小变形的目的。刚性固定法只适用塑性好的材料,特别是低碳钢。对于脆性较大的和容易淬火而变硬脆的中碳钢等材料不宜采用刚性固定法进行结构焊接,否则易导致焊缝产生裂缝。

4.散热法

散热法又称强迫冷却法,是将散热物体放置在焊接区域的周围,使焊件迅速冷却借以减小焊接热影响区域,使变形减小。但是这种方法对淬火倾向较大的材料,易产生冷淬而出现焊接裂纹。

5.机械矫正法

机械矫正法就是对焊缝及其周围区域施加外力,可以减小收缩应力和变形。其原理是利用焊缝及其周围金属受外力后产生塑性变形,而将已产生收缩的焊缝纤维伸长,从而减小了焊件的可见变形和应力。机械矫正最好在热状态下进行,这时的金属具有较高的塑性。因此,不锈钢焊件焊缝机械矫正,必需适当加热,以保证金属的较高塑性。

6.预热法

焊件在焊前加热能减小焊件的温度差,并降低焊后的冷却速度,从而减小焊接应力。焊件焊前预热可根据焊件的大小和施工条件,采取局部预热或整体预热。预热温度的大小主要根据焊件的材料性质,厚度以及周围环境的温度等综合来考虑。一般情况下,奥氏体不锈钢焊接时不需要预热,但对焊缝铁素体很少或根本没有铁素体时,奥氏体焊缝可能会产生热裂纹。这种情况下,预热是必要的。

7.焊后热处理法

为了防止和消除焊接接头的应力腐蚀开裂,有必要进行焊后热处理。常规碳含量不锈钢结构需要进行固溶处理;含稳定化元素的和超低碳的不锈钢结构需进行稳定化和消除应力热处理。焊件焊好后,将焊件整体放入加热炉中,并以2560℃的升温速度进行加热。不锈钢焊件加热在500650℃左右,并保温一定时间,然后与炉子一起冷至5060℃,焊件才出炉。当焊件尺寸大而不能进行整体回火时,可局部回火,此时,回火后应缓慢地冷却。此法是用氧—乙炔火焰喷嘴加热在焊缝两侧,焊件表面加热至200℃左右。在火焰嘴后面一定距离,喷水冷却,造成加热区与焊缝区之间一定温度差,使焊缝区金属被拉长,而达到部分消除焊缝拉伸内应力的目的。

以上这些措施多见诸于各种焊接类书籍杂志,太原钢铁集团张兰及南京航空航天大学韩志诚等分别就奥氏体,马氏体,铁素体及双相不锈钢焊接工艺的研究现状及进展进行了综述。然而涉及焊接工艺参数对焊接残余应力影响的研究报告却很少,主要集中在对焊接应力场、温度场的研究及焊接工艺参数化设计软件开发。

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