令狐采学创作
焊接变形的控制
方法
令狐采学
1 焊接应力与变形
焊接是一种局部加热的工艺过程。

焊接过程中以及焊后,构件不可避免地会产生焊接应力和变形。

焊接应力和变形在一定条件下还影响焊接结构的性能,如强度、刚度、尺寸精度和稳定性、受压时的稳定性和抗腐蚀性等。

不仅如此,过大的焊接应力与变形, 还会大大增加制造工艺中的困难和经济消耗, 而且往往因焊接裂纹或变形过大无法矫正而导致产品的报废。

2 焊接应力与变形的形成过程
焊接应力与变形是由焊接产生的不均匀温度场而引起的。

假设有一块平板条( 如图所示) , 在他中心堆置一条焊缝。

图1 假定是焊接加热时的情况。

图 2 为焊接以后, 温度恢复到室温时的情况。

与此同时,
由于不均匀加热还会产生垂直焊缝方向( 横向) 的盈利和
变形, 厚度则还产生板厚度方向的应力。

3 影响焊接应力与变形的主要因素
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影响焊接应力与变形的因素主要有两个方面,第一个方面是焊缝及其附近不均匀加热的范围和程度, 也就是产生热变形的范围和程度; 第二个方面是焊件本身的刚度以及受到周围拘束的程度; 实际上也就是就是阻止焊缝及其附近加热所产生热变形的程度。

两个方面作用的结果决定了焊缝附近压缩塑性变形区的大小和分布, 也决定了残余应力与残余变形的大小。

焊缝尺寸和焊缝数量及为止, 材料的热物理性能( 导热系数、比热、膨胀系数等) , 焊接工艺方法( 气焊、手工焊、埋弧焊、气体保护焊等) , 焊接参数( 焊接电流、电弧电压、焊接速度等) 以及施焊方法( 直通焊、跳焊、逆向分段汉等) 等因素影响到焊缝及其附近区不均加热的范围和程度, 影响到热变形的大小和分布; 焊接构件的尺寸和形状, 胎夹具的应用, 焊缝的布置以及装配焊接顺序等因素影响到焊接构件的刚度和周围的约束程度。

一般来说, 焊接构件在约束小的条件下, 焊接变形达而应力小; 反之, 则焊接变形小而应力大。

4 焊接残余变形的预防和矫正
4.1 设计措施
4.1.1 尽可能减少焊缝的数量
在设计焊接结构时尽可能减少焊缝的数量,避免不必要的焊缝。

尽可能用型钢、冲压件来代替焊接件。

例如,采用压型结构代替筋板结构可以有效防止薄板的变形。

对于自身要求不高的结构间可以适当增加平板的厚度, 这样可以减少筋板数量,从而可以减少焊接和变形的矫正量。

4.1.2 选择合理的焊缝尺寸和形状
1) 对于板厚较大的对接街头偏重取X 型坡口代替
V型坡口,因为对一定厚度的板,X型坡口的熔敷金属
量大约比V型坡口少1/2。

对于更大板厚的对接接
头可采用U型、双U型甚至窄间隙深坡口焊缝,以减
少焊接变形。

2) 在保证结构有足够承载能力的前提下, 应采用
尽可能小的焊缝尺寸。

对于不需要进行强度计算的
T 型焊接接头,选取最小的工艺上合理的焊缝焊脚尺
寸。

在同样最小的焊脚尺寸时,用断续焊缝比用连续
焊缝更能减少变形。

下表为不同厚度低碳钢板的最
小焊缝焊脚尺寸参考表。

低碳钢板的最小焊缝焊脚尺寸参考表
3) 对于受力较大的T 型接头或十字接头, 在保证
相同的强度条件下, 采用开坡口角焊缝比一般角焊缝
可以大大减少焊缝金属, 减少焊接变形。

4) 当按计算确定 T 型接头角焊缝时, 应当采用连续
焊缝,不要采用于连续焊缝等强度的断续焊缝。

并应
采用双面连续焊缝代替等强度的单面连续焊缝,以减
少角焊缝的焊脚尺寸。

5) 设计的结构尽可能使大多数焊缝可采用自动焊,
此时焊接变形比手工焊小。

在薄板结构中采用二氧
化碳保护焊代替手工焊或气焊, 用接触电焊代替熔化
焊缝可减少变形, 建生焊后校正工作。

4.1.3 合理选择结构形式和安排焊缝位置
1) 安排焊缝尽可能对称于截面中心轴, 或者使焊缝
靠近中心轴, 以减少结构总的弯曲变形。

焊缝集中
于中心轴一侧, 弯曲变形大, 所以尽量安排对称。

图 3 位两片半圆瓦对接成圆筒, 焊缝对称布置, 弯
曲变形小。

而图 4 为钢板弯曲后进行对接, 焊缝在
截面上侧圆筒直径较小时, 焊后引起较大的变形。

2) 由于横向收缩通常比纵向收缩显著, 因此应尽可能将焊缝布置在平行于要求焊接变形较小的方向。

3) 当采用分部件装配和焊接时, 设计时应预先考虑结构分部件的可能性, 并应使部件总装成结构时的焊接工作最小, 减少总装时的焊接变形。

4) 在设计薄板结构时, 要考虑不应由于焊接骨架而失
稳。

为了提高薄板结构的稳定性和降低波浪变形, 应当选择合理的平板厚度, 减少骨架间距并降低骨架焊缝的焊脚。

5) 设计结构时应考虑到采用简单装配焊接胎夹具的可能。

尽量避免设计曲线型结构。

采用平面结构可使固定状态下的焊接装备比较简单, 对控制变形比较有利。

4.2 工艺措施
4.2.1 反变形
焊接前将结构或部件装配成具有焊接变形相反方向的预先变形。

反变形的程度应该能抵消焊后形成的变形。

图5 为反变形情况下的应用:
图 5
4.2.2 刚性固定法
对于刚性小的结构, 可以通过采用胎夹具或其他临时支承方法, 增加结构在焊接时的刚性, 达到减小焊接变形的目的。

但构件本身刚性越大, 则刚性固定法效果越弱。

所以对控制大钢度构件的弯曲变形效果较差。

而对角变形和波浪变形较有效。

4.2.3 选用合理的焊接方法的规范
1) 选用能量密度高的焊接方法, 如采用二氧化碳气体保
护焊、等离子弧焊和手工点弧焊进行薄板焊接, 可以减少变形量。

2) 采用较小的焊接线能量可以减少焊接变形量。

但在实际生产中要考虑生产率, 焊接线能量不宜过低。

3) 焊接不对称得构件, 通过选用不同的焊接参数, 可以控制和调节弯曲变形。

如图6 所示的截面不对称得梁,焊缝1和2到中心轴的距离e比焊缝3和 4 到中心轴的距离f 大焊后引起的变形也大。

如果焊缝1和2采用比焊缝3和4小的规范参数分层焊接,可以是上下弯曲变形抵消。

图 6
4.2.4 选择合理的装配焊接顺序
1) 构件在装配过程中, 侧面中心位置不断发生变化, 因而焊接变形也变化。

利用这一特点通过把结构适当的分成部件, 分别装配焊装, 使不对称得焊缝和收缩量较大的焊缝在焊接过程中能比较自由的收缩而不影响整体结构, 然后拼焊成整体。

这样有利于控制变形, 矫正也比较容易。

2) 分布在侧面中心线两侧的焊缝, 一般来说, 先
焊的一侧焊缝产生的弯曲变形比后焊的一侧焊缝
产生的弯曲变形要大。

因此焊接顺序总的规律是
先焊焊缝少的一侧。

对于截面形状对称的结构, 尽
可能采用对称焊接方法。

4.2.5 防止薄板焊接变形的预拉伸法
在薄板焊接骨架时, 采用机械的预拉伸, 加热的
预拉伸, 或者两者同时使用, 使薄板预先得到拉伸或伸长, 然后在张紧薄板上装配焊接骨架, 可以有效防止波浪变形。

4.3 焊接变形的矫正
4.3.1 机械矫正法
采用压力机、矫正机或手工捶击等机械方法产生新的塑性变形, 以使原开缩短的部分得以延伸, 达到矫正变形的目的。

其中多辊平板机适用于薄板拼焊件的矫正。

利用窄轮碾压焊缝及其两侧使之延伸来消除变形, 用于焊缝比较规范的薄壳结构。

机械矫正法对塑性差的高强钢应慎用。

4.3.2 火焰矫正法
利用火焰加热时产生的局部压缩塑性变形, 使较长的金属在冷却后缩短来消除变形。

本法简单, 机动灵活, 适用面广。

在使用时应控制温度和加热位置。

对低碳钢和普通低合金钢常采用600~800℃的加热温度。

由于需再次加热, 对合金钢等慎用。