4炉焊接应力形成以及减少与消除的方法
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应用能源技术
２００９年第６期（总第１３８期）
锅炉焊接应力形成以及减少与消除的方法
邹挺
（同济大学机械工程学院，上海２０００９２）
摘要：针对锅炉焊接过程中，应力形成的机理及其复杂性进行分析。从设计和工艺两方
面提出了减少焊接应力的措施，并对消除焊接残余应力的必要性和方法展开了讨论，对于锅炉
焊接实践有一定的指导意义。
关键词：锅炉；焊接应力
中图分类号＂．ＴＧ４０４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００９—３２３０｛２００９）０６—００１８—０４
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形与不均匀温度场引起应力变形的规律是一致的。但是，焊接的应力变形相对要复杂得多。其复杂性表现在以下三个方面：（１）焊接时有很大的温度变化范围。在焊缝中心部位，最高温度可以达到材料的沸腾点，离开热源温度则急剧下降，因此温度梯度非常大；（２）由于焊接时加热温度高，且变化范围大，金属材料的热物理性能和力学性能均随温度而变；（３）由于焊接的温度变化范围大，局部超过相变温度从而引起局部发生相变。相变将引起许多物理和力学参量的变化。对于构成锅炉的金属材料，当焊接完成后，在构件中将产生残余应力和变形。其根本的原因在于在焊接时，焊接区因巨大的温差将产生很大的不均匀变形，而这种变形又受到周围冷金属的制约而不能自由发展。在加热阶段，由于不是自由膨胀，因此同时也有瞬时热应力，焊缝及邻近区域为压应力，远离焊缝两侧为拉应力。由于焊缝及邻近区域Ｔ＞８００℃，材料已丧失弹性，被限制膨胀的部分产生的是压缩塑性变形。在冷却阶段，由于不是自由的冷却收缩，因此也有残余应力产生，焊缝及邻近区域被限制收缩而为残余拉应力，远离焊缝两侧则为压应力。
０
引言
锅炉被广泛地应用于生产和生活的各个领域
中，对工业生产和人民生活都有着巨大的影响。焊接是锅炉制造过程中最关键的工序之一，焊接质量的好坏对于锅炉的质量具有决定性的作用。随着锅炉的容量、参数和炉型变化以及复杂锅炉部件和锅炉新材料的引入，使得其焊接结构尺寸、焊接工艺、施焊程序以及拘束大小都有了相应的变化，残余应力的水平也大不一样，并且分布十分
复杂。焊接残余应力的峰值大小、分布状态直接
对锅炉的疲劳破坏和应力腐蚀开裂等产生不良影响。故需要确定合理的减少与消除焊接残余应力的对策，以达到提高锅炉焊接质量，进而达到提高锅炉制造质量的目的。１
焊接应力的形成机理
锅炉的焊接过程是一个极不均匀的局部加热
过程，这一过程造成金属内部的不均匀膨胀和收缩。因此，从原理上讲，焊接中所引起的应力和变
收稿日期：２００９—０４一∞
修订稿日期：２００９一晒一１９
作者简介：邹挺（１９８４．），男，同济大学机械制造及其自动
化方向在读研究生。
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图ｌ为平板堆焊焊接过程中的温度变化和由
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图ｌ焊接过程中温度和应力变化示意图
一般情况下，焊件塑性较好．结构刚度较小焊接的封闭焊缝，或其他刚性大的焊缝，可采用反时，焊件自由收缩的程度就较大。这样，焊接应力变形法，以降低焊件的局部刚度。可以将平板少将通过较大的自由收缩变形而相应减小。其结果量翻边。也可以将镶块压凹。通过减少刚度来减必然是结构内部的焊接应力较小而结构外部表现少焊接应力。
的焊接变形较大；相反，如果焊件刚度大，其自由２．２减少焊接应力的工艺措施
收缩受到很大限制，则内部焊接应力就会较大，而对重要结构或高强度钢焊接时，在焊前将构外部焊接变形则较小。
件整体预热到一定温度，再进行焊接。预热可使２减少焊接残余应力的方法
焊缝区金属和周围金属的温差减小，焊后又可以为了减少锅炉焊接应力的产生及其不利影比较均匀地同时冷却，从而减少焊接内应力。对响，应从设计和焊接工艺两方面采取措施。．塑性好的钢材，可用头部带小圆弧的手锤或风锤２．１减少焊接应力的设计措施
锤击焊缝金属，使焊缝金属得到塑性延展，以降低尽量减少焊缝的数量，在保证结构强度的前内应力。锤击时应在焊后热态下按一定方向适度提下，尽量减小焊缝截面尺寸和长度。如锅炉封进行。还可采用加热适当部位的方法减少内应头或管板拼接时，按ＪＢｌ６１８—７５规定；在Ｄ（直径）力，焊前，对较复杂焊接结构的适当部位进行局部２２００毫米时，焊缝不得多于一条；Ｄ＞２２００毫米加热，靠加热区金属的伸长带动焊接部位产生一时，不得多于两条。炉胆、锅壳每节简体的纵向拼个与焊接收缩方向相反的变形。焊后，被加热部接焊缝，Ｄ≤１８００毫米时，不得多于两条；Ｄ＞１８００位的冷却收缩与焊接收缩方向相一致，可减少焊毫米时，不得多于三条。焊缝不要密集，尽可能避接应力。
免交叉。应尽可能采用刚性较小的接头形式。可３焊后消除残余应力的必要性与方法
用翻边连接代替插入管联接，以降低焊缝的拘束焊后消除残余应力是否必要，应该从构件的度，减少焊接应力。尽量降低接头的刚度。镶块
用途、尺寸（特别是厚度）、所用材料以及工作条件
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等方面综合考虑。厚度超过一定限度的锅炉受压
元件，对此都有专门的技术条件予以规定，如《蒸汽锅炉安全监察规程》规定：焊制的低碳钢受压元
件，其厚度≥２０毫米时，应进行焊后热处理以消
除内应力。合金钢制造的受压元件焊后需要进行热处理的厚度界限，按产品技术条件规定处理，但不得大于２０毫米。
焊后消除残余应力的方法主要有以下几种。３．１整体焊后热处理
将焊接好的锅炉按一定的加热速度加热到５０００Ｃ。Ａ。。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。在放人炉中时，应尽可能避免由于构件自重可能引起的弯曲变形。
当条件许可时，可以将整个锅炉放人加热炉
内进行整体热处理。一般来说，整体炉内焊后热
处理降低应力效果比较好，特点是加热和保温均匀，温度场易于控制，降低应力的程度可以通过温度高低和保温时间长短来调节。锅炉一般结构较大，不可能如其它小型设备或机械零件等那样放人加热炉内进行热处理，可对其进行整体炉外焊后热处理。目前国内外大多采用在锅炉外壁覆盖保温层，而在锅炉内部喷射燃料燃烧形成高温进行加热的内燃法，也有采用电热法对锅炉进行整体的热处理。
整体焊后热处理消除焊接残余应力的效果最好，一般可将８０％一９０％以上的残余应力消除掉，故在生产中应用最广。３．２局部焊后热处理
其原理与整体焊后热处理相同，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。
只对焊缝及其附近局部区域进行加热，然后缓慢冷却。这样作并不能完全消除应力，但可以降低残余应力的峰值，使应力分布比较平缓，起到部分消除应力的作用。局部高温回火多用于比较简单的拘束度较小的焊接接头，如锅炉接头等。为了取得较好的消除应力效果，应保证有足够的加热宽度，如图２所示。
环缝加热宽度８一般可取为
口：５／诱式中：
曰一局部高温回火区宽度，毫米；尺一筒形工件半径，毫米；Ｓ一工件厚度，毫米。
长板对接时，加热区宽度Ｂ取为
Ｂ＝Ｗ
式中：酽一长板对接构件的宽度，毫米。
星芝
邑互
２。
２
（ａ）环焊缝（ｂ）长板对接
图２局部高温回火的加热区宽度
３．３温差拉伸法
在焊缝两侧各用一个宽度为１００—１５０毫米
的氧一乙炔焰喷嘴加热构件（如图３所示），使构
件表面加热到２００℃左右，在加热炬后面一定距离，随之喷水冷却。这样可造成两侧高温，焊缝区低温（１００℃左右）的温度场。两侧的金属因受热膨胀，对温度较低的焊缝区进行拉伸，产生拉伸塑性变形以抵消焊接时的压缩塑性变形，从而消除内应力。这种方法也称为温差拉伸法。只适用于塑性较好的材料，其消除应力的效果可达５０％一
７０％。
ｌ一氧一乙炔焰加热炬２－－喷水排管３一工件
图３低温消除应力法
３．４液压超压消应法
亦称为机械拉伸法，或超载拉伸法，是借助于
液体压力使锅炉产生一定的拉应力，以将残余应
力释放消除，其实质在于释放能量，或者说由非稳定状态转变到稳定状态。在可控条件下，对锅炉施加一次（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锅炉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
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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）。由于锅炉本身是连续的，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，存在于锅炉内部
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。
对于锅炉，可以借助液体压力加载，同样收到
消除残余应力的效果；而且还可与水压试验一起进
行，不需另设装置。经过超压处理的容器，其安全性能、疲劳寿命以及极限强度都将得到明显强化。３．５振动法
振动法的实质就是通过振动的形式施于工件一个动应力，当动应力与工件内部的残余应力叠加后达到材料的屈服极限时，工件便会产生微观的、局部的、甚至是宏观的、整体的塑性变形，从而达到降低并均化工件内部残余应力并使其尺寸稳定的目的。振动法是通过激振器产生与工件固有频率相等或相近的振动以达到共振效果，从而得到较大的振动能量。当由这种剧烈振动产生的交变动应力与工件内部的残余应力叠加，达到材料的屈服极限时，工件内部的原子产生剧烈振动，因而出现微观的塑性变形。此过程可以产生两种十分有益的效果：（１）峰值应力下降，从整体上看就是内部残余应力下降并均匀化；（２）原先在残余应力作用下所存在的弹性变形转化为塑性变形从而将残余应力耗除，使工件在宏观上获得稳定的尺寸及形状。
该法具有设备简单、能耗极低、操作方便，且可适应复杂结构及尺寸庞大结构等特点，工件处理后不存在尺寸变形和热处理的表面氧化问题。同时它对残余应力的消除效果也比较好，可达２０％一７０％，处理时间短、费用低、效益较高。３．６爆炸冲击法
在高温动态激波作用下。材料的强度是随压力、温度和应变率而变化的一个参数。爆炸冲击载荷产生的应力波，在有残余应力的板内具有反复数次加载和卸载的作用・。当某瞬态爆炸冲击载荷与材料中的残余应力叠加而超过材料的动态屈服强度时即产生塑性变形，并使原残余应力开始释放。同时，在爆炸载荷加载与卸载的过程中，由于应力波对材料的振动冲击作用，会使晶格间的作用力得到松驰，进而在焊缝区及远离焊缝的壳
体其它部位的应力也进一步降低。
爆炸法与消除应力热处理相比，有以下二大特点：其一，爆炸处理不仅可以有效地消除残余应力，而且可以在处理区域内造成一定量的压应力，从而便焊接接头对于一切与拉应力有关的破坏抗力得到不同程度的弥补，对此，热处理是无能为力的；其二，爆炸处理对于旧锅炉修复后局部消除残余应力有其独到之处，它比整体热处理有更大的经济效益。当环境条件不允许用火时，炉内爆炸处理将显示其独特的优越性。４
结束语
由于焊接过程是一个极不均匀的局部加热过
程，其应力变形非常复杂。故而，探寻与研究减少消除焊接残余应力的方法就非常有必要。减少焊接残余应力主要是在焊接之前从设计和焊接工艺两方面采取措施。然而，不管设计和工艺做得如何好，焊接之后残余应力必然存在。有必要对其焊后消除应力进行研究。目前，锅炉消除焊接残
余应力的方法较多，各有利弊，就本文提到的方法
而言，局部焊后热处理、温差拉伸法、液压超压消应法、振动法和爆力冲击法设备简单、操作方便、成本较低，其中液压超压消应法是用水压试验来
实现，同时达到了质量检验和消除残余应力两个
目的，而水压试验是锅炉制造中必经的工序。因此，液压超压消应法消除焊接残余应力，不但方法简便，效果显著，而且经济性最好。整体热处理的效果虽然很好，但与其它方法相比，设备较多、工艺复杂、操作不便且成本最高。锅炉采用哪种方法消除焊接残余应力应进行具体的分析。因此，根据焊接残余应力在锅炉中的分布状态，正确选用消除对策，使不同的处理方法在不同容量、参数和炉型的锅炉上各扬其长、各得其所，从而达到既保证安全可靠又经济适用的目的。
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