焊接變形的影響因素與控制

PAGEPAGE8摘要焊接過程是對焊件的局部進行高溫加熱使其達到融化狀態(tài)，隨后快速冷卻結(jié)晶形成焊縫，由于急劇的非平衡加熱及冷卻,結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生焊后殘余變形、應(yīng)力以及金屬組織的變化。焊接應(yīng)力和變形直接影響焊件的尺寸精度、強度、剛度、穩(wěn)定性以及耐腐蝕性能等。是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計完整性、制造工藝合理性和結(jié)構(gòu)使用可靠性的關(guān)鍵因素。焊接應(yīng)力和變形過大時，不僅給產(chǎn)品制造工藝增加困難，還會因焊接裂紋或變形過大無法矯正而導(dǎo)致構(gòu)件報廢，造成巨大經(jīng)濟損失。本文主要闡述焊接變形的影響因素、控制措施和方法。關(guān)鍵詞:焊接變形;影響因素;控制措施目錄第一章1頁第一章焊接應(yīng)力在沒有外力的情況下，物體內(nèi)部存在的應(yīng)力稱為內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力在物體內(nèi)部自相平衡，即物體內(nèi)部各方向的內(nèi)應(yīng)力總和等于零，內(nèi)應(yīng)力對于任何一點的力矩總和等于零。常見的內(nèi)應(yīng)力有以下幾種：1、熱應(yīng)力：又稱溫度應(yīng)力。它是在不均勻加熱及冷卻過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力，它和加熱溫度和加熱不均勻程度、焊件的鋼度以及焊件材料的熱物理性能等因素有關(guān)。2、相變應(yīng)力：金屬發(fā)生相變時，由于體積發(fā)生變化而引起的應(yīng)力。3、裝配應(yīng)力：在裝配和安裝過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。例如：緊固螺栓、熱套結(jié)構(gòu)等均勻有內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生。4、殘余應(yīng)力：當(dāng)構(gòu)件上承受局部荷載或經(jīng)受不均勻加熱時，都會在局部地區(qū)產(chǎn)生塑性應(yīng)變。當(dāng)局部外載撤去后或熱源離去，構(gòu)件溫度恢復(fù)到原始的均勻狀態(tài)時，由于構(gòu)件內(nèi)部發(fā)生了不能恢復(fù)的塑性變形，因而產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，即殘余應(yīng)力。殘留下來的變形即殘余變形。焊接過程中焊件的熱應(yīng)力是隨時間而變化的瞬時應(yīng)力，焊后殘余下來，即為殘余應(yīng)力。按照焊接應(yīng)力在空間的方向可以分為單項應(yīng)力、雙向應(yīng)力和三項應(yīng)力。薄板對接時，可以認(rèn)為是雙向應(yīng)力。大厚度焊件的焊縫，三個焊縫的交叉處以及存在裂縫、加渣等缺陷通常出現(xiàn)三向應(yīng)力，三相應(yīng)力使材料的塑性降低、容易導(dǎo)致脆性斷裂，它是一種最危險的應(yīng)力狀態(tài)。第二章焊接變形一、焊接變形發(fā)生的原因鋼材的焊接通常采用熔化焊方法,把焊接局部連接處加熱至溶化狀態(tài)形成熔池,待其冷卻結(jié)晶后形成焊縫,使原來分開的鋼材連接成整體。由于焊接加熱時還焊接接頭局部加熱不均勻,金屬冷卻后沿焊縫縱向收縮時受到焊件低溫部分的阻礙，使焊縫及其附近區(qū)域受拉應(yīng)力，遠離焊縫區(qū)域受壓應(yīng)力。因加熱、冷卻這種熱變化在局部范圍急速地進行,膨脹和收縮變形均受到拘束而產(chǎn)生塑性變形，焊接完成并冷卻至常溫后該塑性變形殘留下來，焊接變形因此產(chǎn)生。二、焊接變形的主要形式焊接變形主要有收縮變形、角變形、彎曲變形、扭曲變形和破浪變形五種基本形式。其成因如下：收縮變形——是由于焊縫的縱向（沿焊縫方向）和橫向（垂直焊縫方向）收縮引起的；10-13角變形——由于V型坡口對接焊焊縫布置不對稱，造成焊縫上下橫向收縮量不均勻而引起的變形；10-14彎曲變形——T型梁焊接后，由于焊縫布置不對稱，焊縫多的一面收縮量大，引起的工件彎曲；10-17扭曲變形——由于焊接過程中焊接順序和焊接方向不合理引起的工件扭曲，又稱為螺旋形變形，多出現(xiàn)在工字梁的焊接加工過程中；10-18波浪變形——這種變形易發(fā)生在波板焊接過程中。是由于焊縫收縮使薄板局部引起較大的壓應(yīng)力而失去穩(wěn)定性，焊后使構(gòu)件成波浪形。10-16錯邊變形——焊接過程中，由于兩塊板材的熱膨脹不一致，可能引起長度方向或厚度方向上的錯邊。10-15第三章焊接變形的影響因素焊接變形可以分為在焊接熱過程中發(fā)生的瞬態(tài)熱變形和在室溫條件下的殘余變形。影響焊接變形的因素很多,但歸納起來主要有材料性能、設(shè)計結(jié)構(gòu)和焊接工藝三個方面。一、材料因素的影響金屬的焊接是金屬的一種加工性能，接變形的影響不僅和焊接材料有關(guān),而且和母材也有關(guān)系,它決定于金屬材料的本身性質(zhì)和加工條件。金屬的化學(xué)成分不同，其焊接性也不同。碳的影響最大，其它合金元素可以換算成碳的相當(dāng)含量來估算它們對焊接性的影響。碳當(dāng)量CE=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Gr+Mo+V)/5(%)式中各化學(xué)元素含量取其成分的上限。碳當(dāng)量越大，焊接性能越差。當(dāng)CE＜0.4%時，鋼材焊接性良好，冷裂紋傾向小，焊接時一般不需加熱；當(dāng)CE=0.4～0.6時，焊接性較差，冷冽傾向明顯，焊接時需預(yù)熱并采取其它工藝措施；CE＞0.6時，焊接性差，冷冽傾向嚴(yán)重，焊接時需要較高預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝措施。二、結(jié)構(gòu)設(shè)計因素的影響焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計對焊接變形的影響最關(guān)鍵,也是最復(fù)雜的因素。雖然焊接工件隨拘束度的增加,焊接殘余應(yīng)力增加,焊接變形相應(yīng)減少，但在焊接變形過程中,工件本身的拘束度是不斷變化著的，復(fù)雜結(jié)構(gòu)自身的拘束作用在焊接過程中占據(jù)主導(dǎo)地位,而結(jié)構(gòu)本身在焊接過程中的拘束度變化情況隨結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加而增加。在設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時,常需要采用筋板或加強板來提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛性,這樣做不但增加了裝配和焊接工作量,而且給焊接變形分析和控制帶來了一定的難度。因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計時針對結(jié)構(gòu)板的厚度及筋板或加強筋的位置數(shù)量等進行優(yōu)化,對減小焊接變形有著十分重要的作用。三、焊接工藝的影響1、焊接方法的影響：熔焊使焊縫及其附近的母材經(jīng)歷了一個加熱和冷卻的熱過程，由于溫度分度不均勻，焊縫受到一次復(fù)雜的冶金過程，焊縫周圍受到一次不同規(guī)范的熱處理，引起相應(yīng)的組織和性能的變化，直接影響焊縫質(zhì)量。在金屬結(jié)構(gòu)焊接常用的焊接方法有埋弧焊，手工焊和CO2氣體保護焊等，各種焊接方法的熱輸入差別較大，其中埋弧焊熱輸入最大，收縮變形最大，手工電弧焊居中，CO2氣體保護焊最小。一般情況下，焊接熱輸入大時，加熱的高溫區(qū)范圍大，冷卻速度慢，接頭塑性變形區(qū)增大。2、焊接接頭形式的影響1)表面堆焊時，焊縫金屬的橫向變形不但受到縱橫向母材的約束，而且加熱只限于工件表面一定深度而使焊縫的收縮同時受到板厚、深度、母材方面的約束，因此，變形相對較小。2)T形角接接頭和搭接接頭時，其焊縫橫向收縮情況和堆焊相似，其橫向收縮值和角焊縫面積成正比，和板厚成反比。3)對接接頭在單道(層)焊的情況下，其焊縫橫向收縮比堆焊和角焊大，在單面焊時坡口角度大，板厚上、下收縮量差別大，因而角變形較大。4)雙面焊時情況有所不同，隨著坡口角度和間隙的減小，橫向收縮減小，同時角變形也減小。焊縫橫向收縮變形近似值接頭形式板厚mm3～44～88～1212～1616～2020～2424～30收縮量V形坡口對接0.7～1.31.3～1.41.4～1.81.8～2.12.1～2.62.6～3.4X形坡口對接1.6～1.91.9～2.42.4～2.82.9～3.2單面坡口十字接頭1.5～1.61.6～1.81.8～2.12.1～2.52.5～3.03.0～3.53.5～4單面坡口角焊縫0.80.70.60.4無坡口單面角焊縫0.90.80.70.4雙面斷續(xù)角焊縫0.40.30.23、焊接層數(shù)的影響1)橫向收縮：在對接接頭多層焊接時，第一層焊縫的橫向收縮符合對接焊的一般條件和變形規(guī)律，第一層以后相當(dāng)于無間隙對接焊，接近于蓋面焊道時和堆焊的條件和變形規(guī)律相似，因此，收縮變形相對較小。2)縱向收縮：多層焊接時，每層焊縫的熱輸入比一次完成的單層焊時的熱輸入小得多，加熱范圍窄，冷卻快，產(chǎn)生的收縮變形小得多，而且前層焊縫焊成后都對下層焊縫形成約束，因此，多層焊時的縱向收縮變形比單層焊時小得多，而且焊的層數(shù)越多，縱向變形越小。第四章焊接變形的預(yù)防和控制措施一、設(shè)計措施1、盡量減少焊縫數(shù)量焊縫截面積是指熔合線范圍內(nèi)的金屬面積。坡口尺寸越大，焊縫面積越大，冷卻時收縮引起的塑性變形量越大，收縮變形越大。在設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時，應(yīng)當(dāng)避免不必要的焊縫，盡量選用型鋼、沖壓件代替焊件。合理地選擇肋板的形狀,適當(dāng)?shù)匕才爬甙宓奈恢?優(yōu)化肋板數(shù)量，避免不必要的焊縫,以減少肋板數(shù)量來減少焊接和矯正變形的工作量。2、合理地選擇焊接的尺寸和形式焊接尺寸直接關(guān)系到焊接工作量和焊接變形的大小。焊縫尺寸大,焊接量大,焊接變形就大。因此,要盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸，在保證結(jié)構(gòu)的承載能力的條件下,設(shè)計時應(yīng)盡量盡可能采用較小的坡口尺寸，減小焊縫截面積，對于板縫較大的對接接頭應(yīng)選“X”型坡口代替“V”型坡口，減少熔敷金屬總量以減少變形。對于不需要進行強度計算的“T”型接頭，應(yīng)選用工藝上合理的最小焊腳尺寸，采用斷續(xù)焊縫比采用連續(xù)焊縫更能減少變形。當(dāng)設(shè)計計算確定“T”接頭角焊縫時，應(yīng)采用連續(xù)焊縫，不應(yīng)采用和之等強的斷續(xù)焊縫，并應(yīng)采用雙面連續(xù)焊縫代替等強度的單面連續(xù)焊縫，以減少焊角尺寸。對于受力較大的“T”形式或“十”字接頭，在保證強度的條件下，應(yīng)采用開坡口的角焊縫比一般角焊縫可大大減少焊縫金屬，減少焊接變形量。低碳鋼最小焊腳尺寸（mm）板厚≤67～1819～3031～5051～100最小焊腳尺寸3468103、合理設(shè)計結(jié)構(gòu)形式及合理安排焊縫位置設(shè)計結(jié)構(gòu)時應(yīng)考慮焊接工作量最小，以及部件總裝時的焊接變形量最小。薄板結(jié)構(gòu)應(yīng)選合適的板厚，減少骨架間距及焊角尺寸，以減少波浪變形。此外，還應(yīng)避免設(shè)計曲線形結(jié)構(gòu)。由于焊縫橫向收縮通常比縱向收縮顯著，因此應(yīng)盡量將焊縫布置在平行于焊接變形量最小的方向，焊縫位置應(yīng)盡量對稱于截面中心線（或軸線），或者使焊縫接近中心線線（或軸線），這對于減少梁、柱等類型結(jié)構(gòu)的扭曲曲變形有良好的效果。二、工藝措施工藝措施是指在焊接構(gòu)件生產(chǎn)制造過程中所采用的一系列措施,將其分為焊前預(yù)防措施、焊接過程中的控制措施和焊后矯正措施。1、焊前預(yù)防措施焊接應(yīng)力的控制措施主要包括反變形法、加裕量法、剛性固定法和預(yù)拉伸法。1)反變形法是根據(jù)預(yù)測的焊接變形大小和方向,在焊件裝配時造成和焊接殘余變形大小相當(dāng)、方向相反的預(yù)變形量(反變形量),焊后焊接殘余變形抵消了預(yù)變形量,使構(gòu)件恢復(fù)到設(shè)計要求的幾何形狀和尺寸。這種預(yù)制的反變形可以是彈性的，塑性的或彈塑性的。采用加裕量的辦法控制焊接變形時，在工件下料尺寸上所加的焊接裕量通常為0.1%～0.2%,以彌補焊后變形。2)剛性固定法是采用夾具或剛性胎具將被焊構(gòu)件加以固定來限制焊接變形，對于剛度小的結(jié)構(gòu)剛性固定可有效的控制角變形、波浪變形及彎曲變形。結(jié)構(gòu)剛度越大，剛性固定法控制彎曲變形的效果就越差。剛性固定可減少焊接變形，但會產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。3)預(yù)拉伸法是采用機械預(yù)拉伸或加熱預(yù)拉伸的方法使鋼板得到預(yù)先的拉伸和伸長，這時在張緊的鋼板上進行焊接裝配，焊后去除預(yù)拉伸或加熱,使鋼板恢復(fù)初始狀態(tài)。此方法多用于薄板平面構(gòu)件，可有效地降低焊接殘余應(yīng)力,防止波浪變形。（不同的預(yù)熱溫度在降低殘余應(yīng)力方面有的差別：當(dāng)預(yù)熱溫度在300℃～400℃時,殘余應(yīng)力水平降低了30%～50%,當(dāng)預(yù)熱溫度為200℃2、焊接過程控制措施焊接過程中采用合理的焊接方法和焊接參數(shù),選擇合理的焊接次序，隨焊強制冷卻，等措施均可降低焊接殘余應(yīng)力、減小焊接變形。1)先焊短焊縫后焊長焊縫。焊接1米以上的長焊縫時要兩頭中間斷斷續(xù)續(xù)的焊，不要連續(xù)焊接，采用逐步退焊、跳焊預(yù)留焊接長度的方法,預(yù)留100～200mm的焊縫對縱向收縮變形給予補償，減少焊接變形量。2)厚板焊接盡可能采用多層焊代替單層焊。“T”形接頭板厚較大時采用開坡口對接焊縫。雙面均可焊接操作時，要采用雙面對稱坡口，并在多層焊時采用和構(gòu)件中心線（或軸線）對稱的焊接順序。3)縱向加強肋和橫向加強肋的焊接可采用間斷焊接法。中心板和內(nèi)環(huán)板之間的焊縫，可由數(shù)名焊工均布對稱施焊，并可同時進行。4)對于焊縫較多的構(gòu)件，組焊時要采取合理的焊接順序。根據(jù)結(jié)構(gòu)和焊縫的布置，要先焊收縮量較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫；先焊拘束度較大而不能自由收縮的焊縫，后焊拘束度較小而能自由收縮的焊縫。10-710-85)選用不同的焊接參數(shù)，采用能量密度較高的焊接方法，通過較小的焊接熱輸入，控制焊接溫度場，減小焊接變形。例如：對屈服強度345MPa以下，淬硬性不強的鋼材采用較小的熱輸入，盡可能不預(yù)熱或適當(dāng)降低預(yù)熱和層間溫度；可優(yōu)先采用熱輸入較小的焊接方法，如CO2氣體保護焊。6)采用焊強制冷卻的方法使焊縫處熱量迅速散走，減小金屬受熱面，也能能夠顯著地降低殘余應(yīng)力和減少焊接變形。3、焊后矯正措施當(dāng)構(gòu)件焊接后,只能通過矯正措施來減小或消除已發(fā)生的殘余變形。焊后矯正措施主要分為機械矯正和加熱矯正。加熱矯正又分為整體加熱和局部加熱。機械矯正：機械矯正法是采用手工錘擊、壓力機、多輥平板機等對焊件進行靜力加壓或輾壓，產(chǎn)生新的塑性變形，使原來縮短的部分得到延伸，從而矯正變形。加熱矯正：1)整體加熱矯正是指將整體構(gòu)件加熱至鍛造溫度以上再進行矯正的方法,可用以消除較大的形狀偏差。但是焊后整體加熱容易引起冶金方面的副作用,限制了該方法的進一步推廣及使用。2)局部加熱矯正多采用火焰對焊接構(gòu)件局部加熱,在高溫處,材料的熱膨脹受到構(gòu)件本身剛性制約,產(chǎn)生局部壓縮塑性變形,冷卻后收縮,抵消了焊后部位的伸長變形,達到矯正目的,局部加熱矯正方法簡便靈活,因此在生產(chǎn)上廣為使用。在實際使用時應(yīng)控制加熱的溫度和位置，對于低碳鋼和普通低合金鋼，常采用600～800℃的加熱溫度。①點狀加熱法多用于薄板結(jié)構(gòu)，加熱點直徑d≥15mm,加熱點中心距a為50～100mm。②線狀加熱法多用于矯正角變形、扭曲變形及筒體直徑過大或橢圓度。③三角形加熱法多用于矯正彎曲變形。局部加熱矯正的注意事項：①矯正變形前應(yīng)認(rèn)真分析變形情況，制定矯正方案，確定加熱位置及矯正步驟。②認(rèn)真了解被矯正結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)。焊接性好的材料，矯正后材料性能變化小。對于已經(jīng)熱處理的高強度鋼，加熱溫度不應(yīng)超過其回火溫度。③加熱火焰一般采用中性焰。④當(dāng)采用水冷配合火焰矯正時，應(yīng)在鋼材冷卻到失去紅態(tài)時再澆水。⑤由于火焰矯正需要對構(gòu)件再次加熱至高溫，所遇對于合金鋼等材料應(yīng)當(dāng)慎用。⑥采用錘擊法矯正薄板變形時，應(yīng)采用木錘。四、結(jié)束語綜合分析上述焊接變形的影響因素和減小焊接變形的措施,基本了解焊接變形的原因及變形的種類,針對焊接變形的原因和控制措施從焊接工藝等方面進行改進,從而有效防止減少焊接變形所帶來的危害。五、參考文獻《焊接變形的控制和矯正》，《鋼結(jié)構(gòu)制作安裝工藝手冊》，《焊接工程基礎(chǔ)》，《焊工工藝學(xué)》。畢業(yè)設(shè)計(論文)文本格式要求一、基本要求：1、紙張：A4紙，單面打??；2、頁邊距：上3.0cm，下2.5cm，左2.5cm、右2.5cm；頁眉：2.0cm，頁腳：2.0cm,左側(cè)裝訂。3、字體：正文全部宋體、小四；4、行距：1.25-1.5倍；5、頁碼：居中、小五、底部。二、封面格式：1、封皮：河北科技大學(xué)繼續(xù)