焊接变形的影响因素与控制

1摘要焊接过程是对焊件的局部进行高温加热使其达到融化状态，随后快速冷却结晶形成焊缝，由于急剧的非平衡加热及冷却,结构将不可避免地产生焊后残余变形、应力以及金属组织的变化。焊接应力与变形直接影响焊件的尺寸精度、强度、刚度、稳定性以及耐腐蚀性能等。是影响结构设计完整性、制造工艺合理性和结构使用可靠性的关键因素。焊接应力与变形过大时，不仅给产品制造工艺增加困难，还会因焊接裂纹或变形过大无法矫正而导致构件报废，造成巨大经济损失。本文主要阐述焊接变形的影响因素、控制措施和方法。关键词:焊接变形;影响因素;控制措施2目录第一章1页3第一章焊接应力在没有外力的情况下，物体内部存在的应力称为内应力，内应力在物体内部自相平衡，即物体内部各方向的内应力总和等于零，内应力对于任何一点的力矩总和等于零。常见的内应力有以下几种：1、热应力：又称温度应力。它是在不均匀加热及冷却过程中所产生的应力，它与加热温度和加热不均匀程度、焊件的钢度以及焊件材料的热物理性能等因素有关。2、相变应力：金属发生相变时，由于体积发生变化而引起的应力。3、装配应力：在装配和安装过程中产生的应力。例如：紧固螺栓、热套结构等均匀有内应力产生。4、残余应力：当构件上承受局部荷载或经受不均匀加热时，都会在局部地区产生塑性应变。当局部外载撤去后或热源离去，构件温度恢复到原始的均匀状态时，由于构件内部发生了不能恢复的塑性变形，因而产生了内应力，即残余应力。残留下来的变形即残余变形。焊接过程中焊件的热应力是随时间而变化的瞬时应力，焊后残余下来，即为残余应力。按照焊接应力在空间的方向可以分为单项应力、双向应力和三项应力。薄板对接时，可以认为是双向应力。大厚度焊件的焊缝，三个焊缝的交叉处以及存在裂缝、加渣等缺陷通常出现三向应力，三相应力使材料的塑性降低、容易导致脆性断裂，它是一种最危险的应力状态。第二章焊接变形一、焊接变形发生的原因钢材的焊接通常采用熔化焊方法,把焊接局部连接处加热至溶化状态形成熔池,待其冷却结晶后形成焊缝,使原来分开的钢材连接成整体。由于焊接加热时还焊接接头局部加热不均匀,金属冷却后沿焊缝纵向收缩时受到焊件低温部分的阻碍，使焊缝及其附近区域受拉应力，远离焊缝区域受压应力。因加热、冷却这种热变化在局部范围急速地进行,膨胀和收缩变形均受到拘束而产生塑性变形，焊接完成并冷却至常温后该塑性变形残留下来，焊接变形因此产生。二、焊接变形的主要形式4焊接变形主要有收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和破浪变形五种基本形式。其成因如下：收缩变形——是由于焊缝的纵向（沿焊缝方向）和横向（垂直焊缝方向）收缩引起的；10-13角变形——由于V型坡口对接焊焊缝布置不对称，造成焊缝上下横向收缩量不均匀而引起的变形；10-14弯曲变形——T型梁焊接后，由于焊缝布置不对称，焊缝多的一面收缩量大，引起的工件弯曲；10-17扭曲变形——由于焊接过程中焊接顺序和焊接方向不合理引起的工件扭曲，又称为螺旋形变形，多出现在工字梁的焊接加工过程中；10-18波浪变形——这种变形易发生在波板焊接过程中。是由于焊缝收缩使薄板局部引起较大的压应力而失去稳定性，焊后使构件成波浪形。10-16错边变形——焊接过程中，由于两块板材的热膨胀不一致，可能引起长度方向或厚度方向上的错边。10-15第三章焊接变形的影响因素焊接变形可以分为在焊接热过程中发生的瞬态热变形和在室温条件下的残余变形。影响焊接变形的因素很多,但归纳起来主要有材料性能、设计结构和焊接工艺三个方面。一、材料因素的影响金属的焊接是金属的一种加工性能，接变形的影响不仅和焊接材料有关,而且和母材也有关系,它决定于金属材料的本身性质和加工条件。金属的化学成分不同，其焊接性也不同。碳的影响最大，其它合金元素可以换算成碳的相当含量来估算它们对焊接性的影响。碳当量CE=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Gr+Mo+V)/5(%)式中各化学元素含量取其成分的上限。碳当量越大，焊接性能越差。当CE＜0.4%时，钢材焊接性良好，冷裂纹倾向小，焊接时一般不需加热；当CE=0.4～0.6时，焊接性较差，冷冽倾向明显，焊接时需预热并采取其它工艺措施；CE＞0.6时，焊接性差，冷冽倾向严重，焊接时需要较高预热温度和严格的工艺措施。5二、结构设计因素的影响焊接结构的设计对焊接变形的影响最关键,也是最复杂的因素。虽然焊接工件随拘束度的增加,焊接残余应力增加,焊接变形相应减少，但在焊接变形过程中,工件本身的拘束度是不断变化着的，复杂结构自身的拘束作用在焊接过程中占据主导地位,而结构本身在焊接过程中的拘束度变化情况随结构复杂程度的增加而增加。在设计焊接结构时,常需要采用筋板或加强板来提高结构的稳定性和刚性,这样做不但增加了装配和焊接工作量,而且给焊接变形分析与控制带来了一定的难度。因此,在结构设计时针对结构板的厚度及筋板或加强筋的位置数量等进行优化,对减小焊接变形有着十分重要的作用。三、焊接工艺的影响1、焊接方法的影响：熔焊使焊缝及其附近的母材经历了一个加热和冷却的热过程，由于温度分度不均匀，焊缝受到一次复杂的冶金过程，焊缝周围受到一次不同规范的热处理，引起相应的组织和性能的变化，直接影响焊缝质量。在金属结构焊接常用的焊接方法有埋弧焊，手工焊和CO2气体保护焊等，各种焊接方法的热输入差别较大，其中埋弧焊热输入最大，收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。一般情况下，焊接热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，接头塑性变形区增大。2、焊接接头形式的影响1)表面堆焊时，焊缝金属的横向变形不但受到纵横向母材的约束，而且加热只限于工件表面一定深度而使焊缝的收缩同时受到板厚、深度、母材方面的约束，因此，变形相对较小。2)T形角接接头和搭接接头时，其焊缝横向收缩情况与堆焊相似，其横向收缩值与角焊缝面积成正比，与板厚成反比。3)对接接头在单道(层)焊的情况下，其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大，在单面焊时坡口角度大，板厚上、下收缩量差别大，因而角变形较大。4)双面焊时情况有所不同，随着坡口角度和间隙的减小，横向收缩减小，同时角变形也减小。6焊缝横向收缩变形近似值接头形式板厚mm3～44～88～1212～1616～2020～2424～30收缩量V形坡口对接0.7～1.31.3～1.41.4～1.81.8～2.12.1～2.62.6～3.4X形坡口对接1.6～1.91.9～2.42.4～2.82.9～3.2单面坡口十字接头1.5～1.61.6～1.81.8～2.12.1～2.52.5～3.03.0～3.53.5～4单面坡口角焊缝0.80.70.60.4无坡口单面角焊缝0.90.80.70.4双面断续角焊缝0.40.30.23、焊接层数的影响1)横向收缩：在对接接头多层焊接时，第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律，第一层以后相当于无间隙对接焊，接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似，因此，收缩变形相对较小。2)纵向收缩：多层焊接时，每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入小得多，加热范围窄，冷却快，产生的收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束，因此，多层焊时的纵向收缩变形比单层焊时小得多，而且焊的层数越多，纵向变形越小。第四章焊接变形的预防与控制措施一、设计措施1、尽量减少焊缝数量焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。坡口尺寸越大，焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，收缩变形越大。在设计焊接结构时，应当避免不必要的焊缝，尽量选用型钢、冲压件代替焊件。合理地选择肋板的形状,适当地安排肋板的位置,优化肋板数量，避免不必要的焊缝,以减少肋板数量来减少焊接和矫正变形的工作量。2、合理地选择焊接的尺寸和形式焊接尺寸直接关系到焊接工作量和焊接变形的大小。焊缝尺寸大,焊接量大,焊接变7形就大。因此,要尽量减少焊缝的数量和尺寸，在保证结构的承载能力的条件下,设计时应尽量尽可能采用较小的坡口尺寸，减小焊缝截面积，对于板缝较大的对接接头应选“X”型坡口代替“V”型坡口，减少熔敷金属总量以减少变形。对于不需要进行强度计算的“T”型接头，应选用工艺上合理的最小焊脚尺寸，采用断续焊缝比采用连续焊缝更能减少变形。当设计计算确定“T”接头角焊缝时，应采用连续焊缝，不应采用与之等强的断续焊缝，并应采用双面连续焊缝代替等强度的单面连续焊缝，以减少焊角尺寸。对于受力较大的“T”形式或“十”字接头，在保证强度的条件下，应采用开坡口的角焊缝比一般角焊缝可大大减少焊缝金属，减少焊接变形量。低碳钢最小焊脚尺寸（mm）板厚≤67～1819～3031～5051～100最小焊脚尺寸3468103、合理设计结构形式及合理安排焊缝位置设计结构时应考虑焊接工作量最小，以及部件总装时的焊接变形量最小。薄板结构应选合适的板厚，减少骨架间距及焊角尺寸，以减少波浪变形。此外，还应避免设计曲线形结构。由于焊缝横向收缩通常比纵向收缩显著，因此应尽量将焊缝布置在平行于焊接变形量最小的方向，焊缝位置应尽量对称于截面中心线（或轴线），或者使焊缝接近中心线线（或轴线），这对于减少梁、柱等类型结构的扭曲曲变形有良好的效果。二、工艺措施工艺措施是指在焊接构件生产制造过程中所采用的一系列措施,将其分为焊前预防措施、焊接过程中的控制措施和焊后矫正措施。1、焊前预防措施焊接应力的控制措施主要包括反变形法、加裕量法、刚性固定法和预拉伸法。1)反变形法是根据预测的焊接变形大小和方向,在焊件装配时造成与焊接残余变形大小相当、方向相反的预变形量(反变形量),焊后焊接残余变形抵消了预变形量,使构件恢复到设计要求的几何形状和尺寸。这种预制的反变形可以是弹性的，塑性的或弹塑性8的。采用加裕量的办法控制焊接变形时，在工件下料尺寸上所加的焊接裕量通常为0.1%～0.2%,以弥补焊后变形。2)刚性固定法是采用夹具或刚性胎具将被焊构件加以固定来限制焊接变形，对于刚度小的结构刚性固定可有效的控制角变形、波浪变形及弯曲变形。结构刚度越大，刚性固定法控制弯曲变形的效果就越差。刚性固定可减少焊接变形，但会产生较大的焊接应力。3)预拉伸法是采用机械预拉伸或加热预拉伸的方法使钢板得到预先的拉伸与伸长，这时在张紧的钢板上进行焊接装配，焊后去除预拉伸或加热,使钢板恢复初始状态。此方法多用于薄板平面构件，可有效地降低焊接残余应力,防止波浪变形。（不同的预热温度在降低残余应力方面有的差别：当预热温度在300℃～400℃时,残余应力水平降低了30%～50%,当预热温度为200℃时,残余应力水平降低了10%～20%。）2、焊接过程控制措施焊接过程中采用合理的焊接方法和焊接参数,选择合理的焊接次序，随焊强制冷却，等措施均可降低焊接残余应力、减小焊接变形。1)先焊短焊缝后焊长焊缝。焊接1米以上的长焊缝时要两头中间断断续续的焊，不要连续焊接，采用逐步退焊、跳焊预留焊接长度的方法,预留100～200mm的焊缝对纵向收缩变形给予补偿，减少焊接变形量。2)厚板焊接尽可能采用多层焊代替单层焊。“T”形接头板厚较大时采用开坡口对接焊缝。双面均可焊接操作时，要采用双面对称坡口，并在多层焊时采用与构件中心线（或轴线）对称的焊接顺序。3)纵向加强肋和横向加强肋的焊接可采用间断焊接法。中心板和内环板之间的焊缝，可由数名焊工均布对称施焊，并可同时进行。4)对于焊缝较多的构件，组焊时要采取合理的焊接顺序。根据结构和焊缝的布置，要先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝。10-710-85)选用不同的焊接参数，采用能量密度较高的焊接方法，通过较小的焊接热输入，9控制焊接温度场，减小焊接变形。例如：对屈服强度345MPa以下，淬硬性不强的钢材采用较小的热输入，尽可能不预热或适当降低预热和层间温度；可优先采用热输入较小的焊接方法，如CO2气体保护焊。6)采用焊强制冷却的方法使焊缝处热量迅速散走，减小金属受热面，也能能够显著地降低残余应力和减少焊接变形。3、焊后矫正措施当构件焊接后,只能通过矫正措施来减小或消除已发生的残余变形。焊后矫正措