焊接變形的產(chǎn)生和避免

焊接變形的產(chǎn)生和避免手工電弧焊接過(guò)程中的變形成因及對(duì)策在工業(yè)生產(chǎn)中，焊接作業(yè)特別是手工電弧焊作業(yè)作為制造、修理的一種重要的工藝方法得到越來(lái)越廣泛的運(yùn)用。同時(shí)，由于手工電弧焊自身的焊接特點(diǎn)必然引起其焊接變形較大，如不對(duì)其變形的原因進(jìn)展分析并針對(duì)其成因提出有效的對(duì)策，必將給生產(chǎn)帶來(lái)極大的危害。一、手工電弧焊接過(guò)程中的變形成因我們知道，手工電弧焊接過(guò)程中的焊接電弧由在兩個(gè)電極之間的氣體介質(zhì)中產(chǎn)生持久的放電現(xiàn)象所產(chǎn)生的。電弧的產(chǎn)生是先將兩電極相互接觸而形成短路，由于接觸電阻和短路電流產(chǎn)生電流熱效應(yīng)的結(jié)果，使兩電極間的接觸點(diǎn)到達(dá)白熱狀態(tài)，然后將兩電極拉開(kāi)，兩電極間的空氣間隙強(qiáng)烈地受熱，空氣熱作用后形成電離化；與此同時(shí)，陰極上有高速度的電子飛出，撞擊空氣中的分子和原子，將其中的電子撞擊出來(lái)，產(chǎn)生了離子和自由電子。在電場(chǎng)的作用下，陽(yáng)離子向陰極碰撞；陰離子和自由電子向陽(yáng)極碰撞。這樣碰撞的結(jié)果，在兩電極間產(chǎn)生了高熱，并且放射強(qiáng)光。電弧是由陰極區(qū)〔位于陰極〕、弧柱〔其長(zhǎng)度差不多等于電弧長(zhǎng)度〕和陽(yáng)極區(qū)〔位于陽(yáng)極〕三局部所組成。陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)的溫度，主要取決于電極的材料。一般地，隨電極材料而異，陰極區(qū)的溫度大約為2400K—3500K，而陽(yáng)極區(qū)大約為2600K—4200K，中間弧柱局部的溫度最高，約為5000K—8000K。焊接接頭包括焊縫和熱影響區(qū)兩局部金屬。焊縫金屬是由熔池中的液態(tài)金屬迅速冷卻、凝固結(jié)晶而成，其中心點(diǎn)溫度可達(dá)25001以上?？拷缚p的根本金屬在電弧的高溫作用下，內(nèi)部組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，這一區(qū)域稱為熱影響區(qū)。焊縫處的溫度很高，而稍稍向外那么溫度迅速下降，熱影響區(qū)主要由不完全熔化區(qū)、過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)、不完全正火區(qū)、再結(jié)晶區(qū)和藍(lán)脆區(qū)等段組成，熱影響區(qū)的寬度在8—30mm范圍內(nèi)，其溫度從底到高大約在500C-1500°C之間。金屬構(gòu)造內(nèi)部由于焊接時(shí)不均勻的加熱和冷卻產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力叫焊接應(yīng)力。由于焊接應(yīng)力造成的變形叫焊接變形。在焊接過(guò)程中，不均勻的加熱，使得焊縫及其附近的溫度很高，而遠(yuǎn)處大局部金屬不受熱，其溫度還是室內(nèi)溫度。這樣，不受熱的冷金屬局部便阻礙了焊縫及近縫區(qū)金屬的膨脹和收縮；因而，冷卻后，焊縫就產(chǎn)生了不同程度的收縮和內(nèi)應(yīng)力〔縱向和橫向〕，就造成了焊接構(gòu)造的各種變形。金屬內(nèi)部發(fā)生晶粒組織的轉(zhuǎn)變所引起的體積變化也可能引起焊件的變形。這是產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的根本原因。二、焊件的剩余變形和應(yīng)力的危害性在焊接過(guò)程中焊件將發(fā)生變形，隨著變形的產(chǎn)生，焊件內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)也發(fā)生了變化，而焊完并冷卻后所留下的變形和應(yīng)力不是暫時(shí)的而是剩余的。通常焊件的剩余變形和應(yīng)力是同時(shí)存在的，但在一般焊接構(gòu)造中剩余變形的危害性比剩余應(yīng)力大得多，它使焊件或部件的尺寸改變而無(wú)法組裝，使整個(gè)構(gòu)件喪失穩(wěn)定而不能承受載荷，使產(chǎn)品質(zhì)量大大下降，而校正卻要消耗大量的精力和物力，有時(shí)導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。同時(shí)焊接裂縫的產(chǎn)生往往也和焊接剩余變形和應(yīng)力有著密切的關(guān)系。有的金屬由于焊后產(chǎn)生了剩余應(yīng)力而使的使用性能大為下降，從而對(duì)這類(lèi)金屬的焊接件生產(chǎn)造成工藝上的大量困難。因此，在制造焊接構(gòu)造時(shí)，必須充分了解焊接時(shí)內(nèi)應(yīng)力發(fā)生的機(jī)理和焊后決定工件變形的根本規(guī)律，以控制和減少它的危害性。三、影響焊接構(gòu)造變形的主要因素及變形的種類(lèi)〔一〕、影響焊接構(gòu)造變形的主要因素有：焊縫在構(gòu)造中的位置；構(gòu)造剛性的大??；裝配和焊接順序；焊接標(biāo)準(zhǔn)的選擇?！捕?、焊接變形的種類(lèi)有：縱向收縮和橫向收縮；在焊縫長(zhǎng)度方向上的收縮稱縱向收縮，而在垂直于焊縫縱向的收縮稱橫向收縮。由于這種收縮，便使焊件發(fā)生了變形。角變形；彎曲變形;波浪變形;扭曲變形?！踩?、從焊接工藝上分析，影響焊縫收縮量的因素有：用手工電弧焊焊接長(zhǎng)焊縫時(shí)，一般采用焊前沿焊縫進(jìn)展點(diǎn)固焊。這不僅有利于減小焊接變形，也有利于減小焊接內(nèi)應(yīng)力。備料情況和裝配質(zhì)量對(duì)焊接變形也會(huì)產(chǎn)生影響。焊接工藝中影響焊縫收縮量的因素有：線膨脹系數(shù)大的金屬材料，其變形比線膨脹系數(shù)小的金屬材料大；焊縫的縱向收縮量隨著焊縫長(zhǎng)度的增加而增加；角焊縫的橫向收縮比對(duì)接焊縫的橫向收縮??；連續(xù)焊縫比連續(xù)焊縫的收縮量?。欢鄬雍笗r(shí)，第一層引起的收縮量最大，以后各層逐漸減小；在夾具固定條件下的焊接收縮量比沒(méi)有夾具固定的焊接收縮量小，約減少40%--70%；焊腳等于平板厚度的丁字接頭，角變形量較大。四、避免焊接變形的方式通過(guò)以上的分析，我們根本了解焊接變形的原因及變形的種類(lèi)，針對(duì)焊接變形的原因和種類(lèi)從焊接工藝上進(jìn)展改良，可以有效防止和減少焊接變形所帶來(lái)的危害。下面，我們主要介紹幾種常見(jiàn)的防止焊接變形的方法。反變形法在焊前進(jìn)展裝配時(shí)，預(yù)置反方向的變形量為抵消〔補(bǔ)償〕焊接變形，這種方法叫做反變形法。圖1所示為8—12mm厚的鋼板V形坡口單面對(duì)接焊時(shí)，采用反變形法以后，根本消除了角變形。利用裝配和焊接順序來(lái)控制變形；采用合理的裝配和焊接程序來(lái)減少變形，這在生產(chǎn)實(shí)踐中是行之有效的好方法，如圖2〔a〕所示為一箱形梁，由于焊縫不對(duì)稱，焊后產(chǎn)生下?lián)蠌澢冃?。解決方法是由兩人或四人，對(duì)稱地先焊只有兩條焊縫的一側(cè)，如圖2〔b〕中焊縫1和1然后就造成了如圖2?的上拱變形。由于這兩條焊縫焊后增加了箱形梁的剛性。當(dāng)焊接另一側(cè)的兩條焊縫時(shí)，如先焊圖2(d)中焊縫2和2,最后再焊圖2(e)中焊縫3和3,就根本上防止了變形。有許多構(gòu)造截面形狀對(duì)稱，焊縫布置也對(duì)稱，但焊后卻發(fā)生彎曲或扭曲的變形，這主要是裝配和焊接順序不合理引起的，也就是各條焊縫引起的變形，未能相互抵消，于是發(fā)生變形。焊接順序是影響焊接構(gòu)造變形的主要因素之一，安排焊接順序時(shí)應(yīng)注意以下原那么：1〕盡量采用對(duì)稱焊接。對(duì)于具有對(duì)稱焊縫的工作，最好由成對(duì)的焊工對(duì)稱進(jìn)展焊接。這樣可以使由各焊縫所引起的變形相互抵消一局部。2〕對(duì)某些焊縫布置不對(duì)稱的構(gòu)造，應(yīng)先焊焊縫少的一側(cè)。3〕依據(jù)不同焊接順序的特點(diǎn)，以焊接程序控制焊接變形量。常見(jiàn)的焊接順序有五種，即：分段退焊法這種方法適用于各種空間的位置的焊接，除立焊外，鋼材較厚、焊縫較長(zhǎng)時(shí)都可以設(shè)擋弧板，多人同時(shí)焊接。其優(yōu)點(diǎn)是可以減小熱影響區(qū)，防止變形。每段長(zhǎng)應(yīng)為0.5—1m。見(jiàn)圖2(f)分中分段退焊法這種方法適用于中板或較薄的鋼板的焊接，它的優(yōu)點(diǎn)是中間散熱快，縮小焊縫兩端的溫度差。焊縫熱影響區(qū)的溫度不至于急劇增高，減少或防止熱膨脹變形。這種方法特別適用于平焊和仰焊，橫焊一般不采用，立焊根本不能用。見(jiàn)圖2(g)跳焊法這種方法除立焊外，平焊、橫焊、仰焊三種方法都適用，多用在6—12mm厚鋼板的長(zhǎng)焊縫和鑄鐵、不銹鋼、銅的焊接上，可以分散焊縫熱量，防止或減小變形。鋼材每段焊縫長(zhǎng)度在200—400mm之間；鑄鐵焊件按鑄鐵焊接標(biāo)準(zhǔn)處理；不銹鋼和銅由于導(dǎo)熱快，每段長(zhǎng)不宜超過(guò)200mm(薄板應(yīng)短些)。見(jiàn)圖2(h)交替焊法這種焊法和跳焊法根本一樣，只是每段焊接距離拉長(zhǎng)，特別適用于薄板和長(zhǎng)焊縫。見(jiàn)圖2(i)分中對(duì)稱法這種方法適用于焊縫較短的焊件，為了減小變形，由中心分兩端一次焊完。見(jiàn)圖2(j)剛性固定法剛性固定法減小變形很有效，且焊接時(shí)不必過(guò)分考慮焊接順序。缺點(diǎn)是有些大件不易固定，且焊后撤除固定后，焊件還有少許變形和較大的剩余應(yīng)力。這種方法適用于焊接厚度小于6mm及韌性較好的薄壁材料。如果與反變形法配合使用那么效果更好。對(duì)于形狀復(fù)雜，尺寸不大，又是成批生產(chǎn)的焊件，可設(shè)計(jì)一個(gè)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的專(zhuān)用焊接胎具，既可以防止變形，又能提高生產(chǎn)率。當(dāng)工件較大，數(shù)量又不多時(shí)，可在容易發(fā)生變形的部位臨時(shí)焊上一些支撐或拉桿，增加工件的剛性，也能有效的減少焊接變形。散熱法散熱法又稱強(qiáng)迫冷卻法，即將焊接處的熱量迅速散走，使焊縫附近的金屬受熱面大大減少，到達(dá)減小焊接變形的目的。圖3〔a〕為水浸法示意圖，常用于外表堆焊和焊補(bǔ)。圖3(b)是散熱法示意圖，用紫銅作散熱墊，有的還鉆孔通冷卻水，這些墊板越靠近焊縫效果越好。但散熱法比擬麻煩，且對(duì)于淬火傾向大的鋼材不宜采用，否那么易裂。錘擊焊縫法錘擊焊縫法，即用圓頭小錘對(duì)焊縫敲擊，可減少焊接變形和應(yīng)力。因此對(duì)焊縫適當(dāng)鍛延，使其伸長(zhǎng)來(lái)補(bǔ)償這個(gè)縮短，就能減小變形和應(yīng)力。錘擊時(shí)用力要均勻，一般采用0.5Kg—1.0Kg的手錘，其端部為圓角〔R=3—5mm〕。底層和外表焊道一般不錘擊，以免金屬外表冷作硬化。其余各道焊完一道后立刻錘擊，直至將焊縫外表打出均勻致密的點(diǎn)為止。五、常見(jiàn)復(fù)雜構(gòu)件避免變形的方式鋼架的焊接鋼架焊接的關(guān)鍵問(wèn)題，是如何保證強(qiáng)度和防止變形。從工藝上保證強(qiáng)度能適應(yīng)載荷的變化，其變形量不致影響安裝和使用的要求，因此：1〕焊縫的高度和長(zhǎng)度，要按圖施工。裝配誤差要小，坡口要清理干凈。2〕鋼架的焊接一般先焊腹桿與節(jié)點(diǎn)板之間的焊縫，然后再焊上、下弦與節(jié)點(diǎn)板之間的焊縫，焊接順序不應(yīng)集中，而應(yīng)在節(jié)點(diǎn)間間隔跳開(kāi)焊接〔見(jiàn)圖4(a)〕。3〕節(jié)點(diǎn)板與桿件之間的橫向焊縫不焊〔見(jiàn)圖4（b）〕，各種焊縫應(yīng)盡量采用船形焊。鍋爐集箱管接頭的焊接鍋爐集箱管接頭焊縫集中，又偏于一側(cè)，焊后產(chǎn)生較大的彎曲變形，見(jiàn)圖5在圓筒上側(cè)有兩排共26個(gè)管接頭。采用跳焊的焊接順序可解決變形問(wèn)題。先由一名焊工在第一根集箱上相隔2—3個(gè)管接頭跳焊一個(gè)接頭。跳焊完第一根后接著又到第二根進(jìn)展同樣的跳焊。依次把6—10根集箱跳焊過(guò)一遍后，再反過(guò)來(lái)從第一根開(kāi)場(chǎng)跳焊第二遍，這時(shí)早已焊好的管接頭溫度已降低到40^-501以下。這樣反復(fù)跳焊幾遍直到全數(shù)管接頭焊完。焊后雖然尚有2—3mm彎曲變形，但已在公差范圍內(nèi)，抵達(dá)質(zhì)量要求。各類(lèi)鋼材計(jì)算重量公式一、圓鋼每m重量=0.00617x直徑乂直徑2、方鋼每m重量=0.00786x邊寬x邊寬3、六角鋼每m重量=0.0068x對(duì)邊直徑x對(duì)邊直徑4、八角鋼每m重量=0.0065x直徑乂直徑5、螺紋鋼每m重量=0.00617x直徑乂直徑6、等邊角鋼每m重量=邊寬x邊厚x0.0157、扁鋼每m重量=0.00785x厚度乂寬度8、無(wú)縫鋼管每m重量=0.02466x壁厚x（外徑-壁厚）9、電焊鋼每m重量=無(wú)縫鋼管10、鋼板每E重量=7.85x厚度11、黃銅管：每米重量=0.02670*壁厚*〔外徑-壁厚〕12、紫銅管：每米重量=0.02796*壁厚*〔外徑-