(薄板焊接結(jié)構工藝性研究)韓宇

1、克拉瑪依職業(yè)技術學院克拉瑪依職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）畢業(yè)設計（論文）薄板焊接結(jié)構工藝性研究薄板焊接結(jié)構工藝性研究系 部： 機械工程系 專 業(yè)： 焊接技術及自動化 班 級： 焊接 1331 班 學 生： 韓宇 學 號： 13030304 指導教師： 林報欽 2016 年 6 月目 錄引 言.2第一章 如何焊接薄板 .31.1 選材 .31.2 焊接薄板 .3第二章 薄板焊接變形 .52.1 結(jié) 構 件 及 變 形 基 本 形 態(tài) 分 析.72.2 焊 接 變 形 原 因 分 析.72.3 焊 接 變 形 原 因 分 析.72.4 優(yōu)化焊接工藝確保焊接變形 .8第三章 薄板變形控制措施.103

2、.1 薄板失穩(wěn)變形的原因 .103.2 目前控制薄板變形的主要方法 .10參考文獻.14謝 辭.15 1摘 要 薄板焊接結(jié)構在生產(chǎn)實踐中有著廣泛的應用，例如汽車的車架，車身等重要部件，都是由薄板型材或沖壓件經(jīng)過不同焊接方法制造而成的，焊接過程中產(chǎn)生的變形對這，些部件甚至整車的質(zhì)量都有重要的影響。因此，研究薄板結(jié)構焊接過程中的變形規(guī)律及其控制方法，對于提高產(chǎn)品質(zhì)量增強產(chǎn)品的市場競爭力，具有重要的意義。對薄壁箱形梁 CO2 氣體保護焊進行了試驗研究，測量了某實際工件的焊接變形為理論分析結(jié)果的驗證提供了依據(jù)。針對控制焊接變形的反變形方法，采用單位長度的一維模型，考慮彈性和剛性約束條，件詳細分析了不同

3、情況下固有應變的產(chǎn)生情況，提出反變形法消除焊接變形的條件：是反變形量在焊縫處產(chǎn)生的應變要達到該處材料的彈性極限應變，根據(jù)這一條件，基于不同溫度下材料具有不同的本構關系，建立了梁的預先反變形撓度計算公并討論了公式，的應用條件根據(jù)所提出的反變形撓度公式對大型細長空間薄壁梁的焊接變形控制進行了試驗研究，表明該公式用于指導反變形量調(diào)整是有效的，其中有些部位經(jīng)過一次調(diào)整后，焊接變形就可以控制到接近公差要求。 關鍵詞關鍵詞：薄板 焊接變形 反變形 2引 言薄板結(jié)構件焊接變形的控制與矯正，薄板結(jié)構件一般指由厚度不大于 4 毫米的鋼板（包括不銹鋼板、鍍鋅板、白鐵皮）組焊而成，控制與矯正薄板結(jié)構件的焊接變形需要

4、有高超的技術，二、焊接變形產(chǎn)生的原因，焊接過程中及焊后，焊接構件都將產(chǎn)生變形，影響焊接變形最根本的因素是焊接過程中的熱變形和焊接構件的剛性條件，在焊接過程中的熱變形受到了構件剛性條件的約束，這就產(chǎn)生了焊接殘余變形，影響焊接熱變形的因素，焊薄板結(jié)構件焊接變形的控制與矯正。焊接過程中的熱變形和施焊時焊接構件的剛性條件是影響焊接殘余變形的兩個主要因素。根據(jù)這兩個主要因素可以認為焊接殘余變形是不可避免的，即完全消除焊接變形是不太可能的。控制焊接殘余變形必須從薄板結(jié)構件設計和施工工藝兩個方面同時采取措施。在薄板結(jié)構件設計上除了要滿足構件的強度和使用性能外，還必須滿足構件制造中焊接變形最小及耗費勞動工時最

5、低的要求。因此優(yōu)化板縫布置尤為重要，設計圖紙中的板縫布置往往對工藝性考慮不周 ,容易引起焊接變形。焊接工藝是鋼結(jié)構施工中的重要工藝之一。合理的焊接工藝是減少焊接變形，減少應力集中的有效方法。為了控制構件焊接變形，應盡可能采取有效措施，如：將構件分為若干小部件與構件分段，使焊接變形分散在各個部件上，便于構件變形的控制與矯正；使各部件焊縫的布置與構件分段截面中性軸對稱或接近截面中性軸，避免焊接后產(chǎn)生扭曲和過大的彎曲變形；對每一條主要焊縫，盡可能選擇小的焊腳尺寸和短的焊縫；避免焊縫過分集中和交叉布置；盡可能采用寬而長的鋼板或能減少焊縫數(shù)量的結(jié)構形式，等等。3第一章 如何焊接薄板1.1 選材 焊接薄板

6、要看板的厚度、焊件寬度、對焊件焊縫的要求程度，選用何種焊接設備。一般都是對好一條接口點焊住再進行焊接，具體焊件具體采用方法不同。薄鋼板是鋼板厚度小于等于 4mm，中鋼板是鋼板厚度在 4mm25mm 之間，厚鋼板是鋼板厚度大于等于 25mm。鋼板是一種寬厚比和表面積都很大的扁平鋼材。鋼板按厚度分為薄板和厚板兩大規(guī)格。 薄鋼板是用熱軋或冷軋方法生產(chǎn)的厚度在 0.2-4mm 之間的鋼板。薄鋼板寬度在 500-1400mm 之間。根據(jù)不同的用途，薄鋼板采用不同材質(zhì)鋼坯軋制而成。通常采用材質(zhì)有普碳鋼、優(yōu)碳鋼、合金結(jié)構鋼、碳素工具鋼、不銹鋼、彈簧鋼和電工用硅鋼等。它們主要用于汽車工業(yè)、航空工業(yè)、搪瓷工業(yè)、

7、電氣工業(yè)、機械工業(yè)等部門。薄鋼板除軋制后直接交貨之外，還有經(jīng)過酸洗的、鍍鋅和鍍錫等種類。 厚鋼板是厚度在 4mm 以上的鋼板的統(tǒng)稱，在實際工作中，常將厚度小于 20mm 的鋼板稱為中板，厚度20mm 至60mm 的鋼板稱為厚板，厚度 60mm 的鋼板則需在專門的特厚板軋機上軋制，故稱特厚板。厚鋼板的寬度從 0.6mm-3.0mm。厚板按用途又分造船鋼板、橋梁鋼板、鍋爐鋼板、高壓容器鋼板、花紋鋼板、汽車鋼板、裝甲鋼板和復合鋼板等。 鋼板的一個分支是鋼帶，鋼帶實際上是很長的薄板，寬度比較小，常成卷供應，也稱為帶鋼。鋼帶常在多機架連續(xù)式軋機上生產(chǎn)，切成定尺長度后就是鋼帶，因此生產(chǎn)率比單張機制時高。1

8、.2 焊接薄板 氬弧焊受熱面積大容易變形，不適合焊接薄板！到是知道一種最薄可以焊接 0.2mm 薄板連續(xù)焊接！焊接薄板要看板的厚度、焊件寬度、對焊件焊縫的要求程度，選用何種焊接設備。一般都是對好一條接口點焊住再進行焊接，具體焊件具體采用方法不同。焊條電弧焊的引弧 接頭 運條 收弧 1 引弧方法：直擊法-焊條引弧端與焊件輕磕，提起引弧，保持 2-4mm 弧長。容易產(chǎn)生氣孔。不易掌握。不適合初學者練習。一般應用于酸性焊條。焊件技術熟練者、焊縫較窄時使用堿性焊條時可以采用。劃擦法像劃火柴一樣，輕輕4與焊件接觸，動作范圍很小，點燃電弧以后保持弧長 2-4mm.容易劃傷母材，不適合在低合金高強度鋼等淬火

9、傾向大的金屬使用。因為容易操作，使用適合初學者使用，一般應用與堿性焊條焊接。2 引弧位置：一般在始焊端 1520mm 處引弧，從端部正常焊接，這樣是根據(jù)氣體電離的熱電離的遠離設計的，因為溫度越高，越容易熱電離，電弧容易產(chǎn)生。稱之為：預熱法引弧。打底層引弧注意從坡口兩側(cè)搭橋式引?。惶畛鋵右∽⒁庠诤傅郎弦?，接頭引弧防止在熔池內(nèi)引弧，或者在坡口間隙處引弧。有間隙的引弧采用反復息弧法引弧。如果從始焊端直接引弧，容易粘弧與焊道窄而高。根據(jù)焊接方法例如左向焊法與右向焊法不同，采用在焊縫的右側(cè)或左側(cè)引弧。3 防止粘弧與粘弧處理：防止粘弧措施：合適焊接電流值、堿性焊條厚板焊接采用合適的引弧電流（2-5）推

10、力電流（2-5）粘弧引弧采用左右搖動使焊條脫離焊件，如果不行可以松開焊鉗。防止采用焊鉗長時間的短路或沒有規(guī)矩的搖擺。4 各種運條方法及特點與應用 各種運條方法的相同點：采用手腕運條，穩(wěn)定、均勻速度，頻率節(jié)奏鮮明。動靜結(jié)合。柔性。 直線運條方法特點：不橫向擺動，熔寬小，電弧穩(wěn)定熔深好。 應用：各種角焊縫、開坡口對接焊縫的打底層圖形：2）直線往復運條方法：特點：在直線上做往復運動，采用手腕前進 10mm，后退 3mm 停頓，再前帶 10mm，回復 3mm-.節(jié)奏鮮明，快慢分明，帶要快，回要慢。焊速快，焊縫窄，適合在對接接頭開坡口的打底層施焊。特別是間隙較大時更顯示其優(yōu)點。也可以應用在角焊縫、多層多

11、道焊的角焊縫最后一道，橫對接蓋面層的最后一道。因為其花紋與其他道花紋一致，因此應用較廣。 圖形：第一個熔池 第二個熔池 第三個熔池 3）鋸齒形與月牙形運條方法：特點：都采用橫向擺動，獲得一定熔寬。采用中慢邊停前帶的運條方法。邊緣停留時間是防止坡口邊緣產(chǎn)生未融合與咬邊現(xiàn)象，中快是保證余高符合要求。不同之處是鋸齒形中間停留時間比月牙形停留時間短，所以余高小。應用范圍不同：鋸齒形一般應用在填充層，而月牙形一般應用在蓋面層。其擺動頻率、間距節(jié)奏都很相似。 圖形：鋸齒形運條方法 月牙5形運條法 應用：開坡口的平對接、立對接、立角焊 仰對接的填充層與蓋面層。在立焊時也稱為抹弧法。 4）三角形運條方法：正三

12、角形運條方法：熔池兩側(cè)多做停留，中間要快，上提快往中上部，一般應用在立角焊、開坡口的立對接打底層。也成為挑弧法。焊接電流一般采用 125 左右。 斜三角形運條方法：控制熔池形狀，防止液態(tài)金屬下燙，一般應用在平角焊、仰角焊、橫對接等焊縫型式中。 5）月牙加小挑弧：是抹弧法與挑弧法的綜合運用，橫向擺動是采用月牙形，提時采用往熔池中上部方向，采用手腕運條，左右交錯，頻率均勻，節(jié)奏分明，提高度不大于 10mm，下落致原熔池 2/3 處，一般運用開坡口的立對接的蓋面層，獲得花紋均勻的美觀焊縫成型。焊接電流可以在 120130A 范圍內(nèi)選擇。 6）斜圓圈型運條方法：在 AB 段采用稍慢的速度，BC 段采用

13、直線前帶 10mm，然后 CD 段采用稍快的速度向斜后方向致 D 點稍作停留，在做循環(huán)往復運動。一般運用在平角焊、仰角，開坡口橫對接的填充層、蓋面層的第 2、3 道。6第二章 薄板焊接變形2.1 結(jié)構件及變形基本形態(tài)分析 驅(qū)動側(cè)門是由兩塊 4400mm870mm3mm 主面板，并且在板反面焊接縱橫向板條做骨架支撐結(jié)構，然后在通過之前做好的立柱在現(xiàn)場通過鉸鏈焊接在一起，可自由開合的門體結(jié)構，其結(jié)構如圖 1 所示。圖 1 大面積薄板焊接焊縫形式主要為對接和搭接。但這兩種焊縫形式產(chǎn)生的變形基本一樣，除產(chǎn)生橫向收縮和縱向收縮外（見圖 2、3），還會產(chǎn)生失穩(wěn)翹曲變形（見圖 4），即常見的薄板焊接后產(chǎn)生的

14、鼓包2.2 焊接變形原因分析 （1）面積大，板比較薄，背面板條與薄板對接，根據(jù)焊接件通用技術條件規(guī)定面板的平面度4mm，這就要求在施工時根據(jù)理論與施工經(jīng)驗來制定嚴格的施工工藝，稍不注意就會使面板產(chǎn)生較大的凸起，給后續(xù)施工帶來很大的麻煩。重新返修難度較大，同時會使生產(chǎn)成本大大地增加。7問題產(chǎn)生原因主要是在焊接工程中由于對焊接應力和變形產(chǎn)生的機理不了解，焊接應力釋放不完全，因此要合理的進行施工工藝安排，從而控制焊接應力。 （2）鋼板受熱不均產(chǎn)生變形，造成鋼板扭曲。2.3 焊接變形原因分析 圖 5 給出了引起焊接應力和變形的主要因素及其內(nèi)在聯(lián)系。由圖 5 可以看出，焊接時局部不均勻的熱輸入是產(chǎn)生焊接

15、應力與變形的決定因素。而熱輸入是通過材料、制造和結(jié)構因素所構成的內(nèi)外拘束度而影響熱源周圍的金屬運動，最終形成焊接應力的變形。材料因素主要為材料特性、熱物理常數(shù)及力學性能。制造因素（工藝措施、夾持狀態(tài)）和結(jié)構因素（構件形狀、厚度及剛性等）則更多地影響著熱源金屬的外拘束度。隨焊接熱過程而變化的內(nèi)應力場和構件變形，稱為焊接瞬態(tài)應力與變化。而焊后，在室溫條件下殘留于構件中的內(nèi)應力場和宏觀變化，稱為焊接殘余應力與焊接殘余變形。圖 5 給出了引起焊接應力和變形的主要因素及其內(nèi)在聯(lián)系。 82.4 優(yōu)化焊接工藝確保焊接變形 （1）焊接方法先焊短焊縫后焊長焊縫，采取分段退焊，由內(nèi)向外依次進行。如圖 1 中的背面

16、板條短縫，將其由內(nèi)向外焊接為一體，可自由收縮為一整體長條。同理，焊完所有短縫，所有中心板都成為焊接后得到自由收縮、基本無應力的若干長條，然后再將每個長條由內(nèi)向外連接起來，也屬于在自由收縮狀態(tài)下成形，這樣焊接應力很小，變形也很小。 （2）分段退焊基本原理分段退焊的原理與間歇焊和減少焊接熱輸入的原理基本是一樣的，主要是縮小焊接區(qū)與結(jié)構整體之間的溫差，從而減少變形；同時由于頭尾相接的焊接順序，前一段焊縫剛冷卻下來，后一段焊縫的熱量就會給前一段一部分，使其得到一次退火的機會，同時減小了前后的溫差，因而消除應力、減少變形。根據(jù)實踐經(jīng)驗，背面板條分9段退焊，應以一根焊條為一個循環(huán)，一根焊條約焊 200mm

17、，這樣要比500600mm 一個循環(huán)變形要小的多。這樣焊的缺點是接頭增加，降低美觀程度，但比變形后再去處理變形要合算的多。 （3）由內(nèi)向外依次進行的基本原理如圖 1 中先焊中間部位橫短板條再焊縱的長板條，因為兩板相焊，焊縫會產(chǎn)生橫向收縮和縱向收縮，又因內(nèi)部是封閉部位，外部屬自由端（越往外越明顯），由內(nèi)向外可使焊縫的橫、縱焊縫自由收縮；反之，若先焊外部，自由端被固定，再焊內(nèi)部時，焊縫的橫、縱向收縮都會受到限制，因而產(chǎn)生較大應力，從而產(chǎn)生較大變形。 （4）由多名焊工均布對稱施焊的基本原理由于不對稱受熱而引起變形，長條板不對稱受熱而引起變形。在面板的焊接中也要由多名焊工均布對稱施焊，這樣可以防止由于

18、不對稱受熱引起偏心力而引起變形，若對稱受熱，即使有應力存在，也不會引起變形，且越往外越明顯，這是因為兩側(cè)的應力相等而又有足夠的寬度，不會使中心板產(chǎn)生彎曲。10第三章薄板焊接變形控制措施3.1 薄板失穩(wěn)變形的原因薄板結(jié)構焊接最突出的問題是波浪變形。通常對于 6mm 以下的薄板，要特別注意防止失穩(wěn)而產(chǎn)生波浪變形。在焊接過程中，薄板上產(chǎn)生高度不均勻的焊接溫度場，且由于受到約束作用，最終在焊接接頭區(qū)域形成殘余應力和產(chǎn)生不協(xié)調(diào)的塑性變形，焊縫附近為拉應力而遠處為壓應力。如果壓縮殘余應力 的數(shù)值達到結(jié)構的屈曲失穩(wěn)臨界載荷 sr，薄板就會發(fā)生失穩(wěn)（屈曲），產(chǎn)生波浪變形。因此，焊縫金屬縱向收縮而產(chǎn)生的壓應力是

19、導致薄板失穩(wěn)的主要原因2。t 是薄板厚度，B 是板寬，K 是與板的支撐情況有關的系數(shù)。從上式看出，板厚與板寬的比值越小，臨界應力就越小，薄板也就越容易失穩(wěn)。因此，可以從降低殘余壓應力和提高臨界應力、薄板剛度兩方面著手以減少波浪變形。如設置加強筋或增加板厚、把薄板壓制成凸筋或波紋形等均可以減小和防止波浪變形，同時也要權衡利弊，既考慮工藝性又要考慮經(jīng)濟性。焊接失穩(wěn)變形主要受薄板幾何形狀、板面積、厚度、板件初始不平度和支承條件的影響，同時焊接方法、焊接工藝和焊接程序顯著影響焊接變形的程度。3.2 目前控制薄板變形的主要方法 對焊接應力與變形機理的深入認識，使人們能夠通過若干不同途徑達到減少焊接變形的

20、目的3。預防和控制薄板結(jié)構焊接變形方面使用的方法基本上可分為三類：預防、控制和矯正?？梢詮脑O計和工藝兩個方面來解決。3.1 設計方面的措施有：3.1.1 合理地選擇焊縫的尺寸和形式；3.1.2 盡可能減少不必要的焊縫；3.1.3 合理地安排焊縫的位置；對稱地布置焊縫，并盡可能考慮將焊縫布置在靠近結(jié)構中心線的區(qū)域內(nèi)。3.2 工藝方面的措施有：113.2.1 正確選用焊接方法和焊接材料。3.2.2 反變形法和剛性固定法：剛性固定法和反變形法是控制焊接變形的基本方法。在焊接工藝上盡可能合理運用剛性固定法和反變形法，預留收縮余量。剛性固定法是將焊件固定在有足夠剛性的胎夾具上，或是臨時裝焊支撐，以增加構

21、件的剛度來減小焊接變形，待焊接構件上所有焊縫冷卻到室溫時再去掉剛性固定，這時構件產(chǎn)生的變形將大大小于在自由狀態(tài)下的焊接變形。如果再配合其它控制焊接變形的措施，將使焊接變形控制在產(chǎn)品技術公差要求范圍以內(nèi)。3.3 比較常用的方法還包括：3.3.1 壓鐵法：當薄板面積較大，焊縫較長時，可采用壓鐵分布在焊縫兩側(cè)來減小變形。3.3.2 散熱法：是一種在焊接過程中消除殘余應力的方法。其原理是在焊接過程中通過噴水強迫冷卻，使焊縫附近的材料所受熱量大大減少，縮小焊接熱場的分布，從而減小焊接變形。3.3.3 低應力無變形焊接法：是專門為防止薄板焊接波浪變形的一種新的焊接方法。在施焊前距焊縫一定距離處用電加熱器預

22、熱一定寬度，在達到一定溫度時開始焊接。在焊接坡口下方布置銅墊塊，墊塊上鉆通孔通水冷卻，以便將焊接熱迅速疏散。在預熱區(qū)的外側(cè)，用機械或氣動夾緊裝置使板剛性固定。這樣在焊后，從焊縫區(qū)開始，形成了拉壓拉壓交替分布的殘余應力場。由于臨近焊縫區(qū)的壓縮殘余應力處于其兩側(cè)拉伸應力場的包圍內(nèi)，所以不能引起薄板的壓縮失穩(wěn)變形。在這里拉伸殘余應力起著一個張緊作用，或者是支撐作用，使得薄板不會因壓縮失穩(wěn)而出現(xiàn)波浪變形。在預熱區(qū)外側(cè)，由于壓縮殘余應力數(shù)值較低，而不會引起薄板的失穩(wěn)變形。3.3.4 合理選擇焊接規(guī)范參數(shù)和裝配焊接順序。焊接程序和方向的正確選擇，將會使焊后的應力、變形及裂縫的傾向減少。因此，對于一些環(huán)形焊

23、縫及較長的焊縫，還需應用對稱焊和逐步退焊法來減少焊接變形。這是在考慮焊接工藝時必須遵循的原則。 選用線能量較低、熔敷效率高的焊接方法，也可有效地防止焊接變形, 核心是熱輸入的大小，即若要減小并避免焊件的變形，最應注意的是嚴格控制線12能量，即在完成焊縫焊接的前提下，盡量減少焊縫的熱輸入，從而減小焊接熱影響區(qū)，減小焊接變形及其對接頭性能的惡劣影響。例如采用 CO2 半自動焊來代替氣焊和手工電弧焊, 不但效率高，而且可以減少薄板結(jié)構的變形。另外，焊接時待焊件間隙應在保證焊透的情況下，越小越好；切割熔渣與剪切毛刺應清除干凈；焊接之前應采用較小直徑的焊條進行點焊（定位焊），增加焊件剛性，這些都有利于減

24、小焊接變形。同時合理選擇點固焊的順序、焊點距離及大小，不僅能保證焊接間隙，且具有一定的抗變形能力。3.4 矯正焊接變形的方法3.4.1 機械矯正法：利用外力使構件產(chǎn)生與焊接變形方向相反的塑性變形, 使兩者互相抵消?；蛘卟捎缅N擊法、輥壓法來延展焊縫及其周圍區(qū)域的金屬，達到消除焊接變形的目的。3.4.2 火焰加熱矯正法：是利用氣體火焰加熱構件的伸長部分，使其在較高溫度下發(fā)生壓縮塑性變形，冷卻后收縮變短，來達到矯正變形的目的4。 矯正薄板結(jié)構的焊后變形，常用的方法主要有錘擊法、滾壓法、局部加熱矯正法等，這些方法雖能有效地控制焊接殘余變形，但各有其不足之處5。錘擊法是利用錘頭的沖擊來延展焊縫及其周圍壓縮塑性變形區(qū)域的金屬，達到消除焊接變形的目的，但勞動強度大，錘擊面粗糙，表面質(zhì)量差；滾壓法是利用圓盤形滾輪來滾壓焊縫或近縫區(qū)金屬，使之碾展伸長，來消除失穩(wěn)變形，其缺點是為了在滾壓焊縫時取得較大的塑性變形量，往往需要 1020t 的滾輪壓力，在