锅炉焊接应力消除
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
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 。图 1 为平板堆焊焊接过程中的温度变化和由 此而引起的应力变化示意图 ， 以速度 v 移动的焊
接电弧正位于 O 处 。
图1 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 时 ，焊件自由收缩的程度就较大 。这样 ，焊接应力 将通过较大的自由收缩变形而相应减小 。其结果 必然是结构内部的焊接应力较小而结构外部表现 的焊接变形较大 ; 相反 ， 如果焊件刚度大 ， 其自由 收缩受到很大限制 ，则内部焊接应力就会较大 ，而 外部焊接变形则较小 。
2 减少焊接残余应力的方法
为了减少锅炉焊接应力的产生及其不利影 响 ，应从设计和焊接工艺两方面采取措施 。 2. 1 减少焊接应力的设计措施 尽量减少焊缝的数量 ， 在保证结构强度的前 提下 ，尽量减小焊缝截面尺寸和长度 。如锅炉封 头或管板拼接时 ，按 JBl618 - 75 规定 ; 在 D （ 直径) ≤ 2200 毫米时 ，焊缝不得多于一条 ;D > 2200 毫米 时 ，不得多于两条 。炉胆 、 锅壳每节筒体的纵向拼 接焊缝 ，D ≤ 1800 毫米时 ， 不得多于两条 ;D > 1800 毫米时 ，不得多于三条 。焊缝不要密集 ，尽可能避 免交叉 。应尽可能采用刚性较小的接头形式 。可 用翻边连接代替插入管联接 ， 以降低焊缝的拘束 度 ，减少焊接应力 。尽量降低接头的刚度 。镶块
焊接的封闭焊缝 ，或其他刚性大的焊缝 ，可采用反 变形法 ，以降低焊件的局部刚度 。可以将平板少 量翻边 。也可以将镶块压凹 ， 通过减少刚度来减 少焊接应力 。 2. 2 减少焊接应力的工艺措施 对重要结构或高强度钢焊接时 ， 在焊前将构 件整体预热到一定温度 ， 再进行焊接 。预热可使 焊缝区金属和周围金属的温差减小 ， 焊后又可以 比较均匀地同时冷却 ， 从而减少焊接内应力 。对 塑性好的钢材 ， 可用头