焊接工艺的变形及防治

钢材的焊接通常采用熔化焊接方法，就是在焊接处局部加热，被焊接的钢材与添加的钢材熔化成液体金属，形成熔池，随后冷却凝固成固态金属，使原来分开的钢材连接成整体的过程。由于焊接加热，融合线以外的母材产生膨胀，接着冷却，使熔池金属和熔合线附近母材因这种温度变化在局部范围内急速进行，产生的膨胀和收缩均受到拘束从而使之塑性变形。这样，在焊接完成并冷却至常温后该塑性变形就残留下来，形成工艺、质量的缺陷。
一、焊接的变形与应力
1、弹性变形和塑性变形
    变形: 物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变化，这种变化称为物体的变形。
    弹性变形: 使物体产生变形的外力或其他因素去除后变形也随之消失，物体可恢复原状。
    塑性变形: 当外力或其他因素去除后变形仍然存在，物体不能恢复原状。
2、应力
    物体受外力作用后导致物体内部之间的相互作用力称为内力。在物理、化学或其变化过程中，如温度、金相组织或化学成分等变化时，在物体内部也会产生内力。作用在物体单位面积上的内力叫做应力。根据引起内力原因的不同，可将应力分为工作应力和内应力。工作应力是由外力作用于物体而引起的应力；内应力则是由物体的化学成分、金相组织及温度等因素变化，造成物体内部的不均匀变形而引起的应力。
3、焊接变形与焊接应力
    焊接变形是指由焊接而引起的焊件尺寸、形状的变化。
    焊接应力是焊接过程中以及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。  
二、焊接变形与应力产生的原因
1、焊件的不均匀受热
  （1）、不受约束的焊件在均匀加热时的应力与变形，其变形属于自由变形，因此在焊件加热过程中不会产生任何内应力，冷却后也不会有任何残余应力和残余变形。
  （2）、受约束的焊件在均匀加热时的应力与变形
    如果加热温度较高，达到或超过材料屈服点温度时，焊件中会产生塑性变形。内部变形由弹性变形和塑性变形两部分组成。当温度恢复到原始温度时，弹性变形恢复，塑性变形不可恢复，可能出现以下三种情况：
   、如果焊件能充分自由收缩，那么只出现残余变形而无残余应力。
   、如果焊件受绝对拘束，那么没有残余变形而存在较大的残余应力。
   、如果焊件收缩不充分，那么既有残余应力又有残余变形。
  （3）、长板条中心加热（类似于堆焊）引起的应力与变形。
  （4）、长板条一侧加热（相当于板边堆焊）引起的应力与变形。
2、焊缝的收缩
    当焊缝冷却、由液态转为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的，因此，焊缝金属并不能自由收缩。这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中引起残余应力。
3、金属组织的变化
    钢材在加热及冷却过程中发生金相组织的变化，这些组织的体积不一样，也会造成焊接应力与变形。
4、焊件的刚性和拘束
    焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小，焊接应力越大；反之，焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大，而焊接应力越小。
    刚性——是指焊件抵抗变形的能力。
    拘束——是指焊件周围物体对焊接变形的约束。
三、焊接的残余应力及分布
1、焊接残余应力   
    焊件焊完冷却后残留在焊件内的应力。焊接残余应力对焊接结构的强度、耐蚀性和尺寸稳定性等使用性能有影响。
2、焊接残余应力的分布
    作用方向平行于焊缝轴线的残余应力称为纵向残余应力。
    垂直于焊缝轴线的残余应力称为横向残余应力。
  （1）、焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向残余应力。
  （2）、横向收缩所引起的横向残余应力。
3、焊接残余应力对焊接结构的影响
  （1）、对焊接结构强度的影响。
    焊接残余应力的存在将明显降低脆性材料结构的静载强度。
  （2）、对焊件加工尺寸精度的影响。
  （3）、对受压焊件稳定性的影响。
  （4）、对疲劳强度的影响。
4、焊件的残余变形和应力的危害性
在焊接过程中焊件将发生变形，随着变形的产生，焊件内的应力状态也发生了变化。焊接完成并冷却后所留下的变形和应力是残留的。通常焊件的残余变形和应力是同时存在的，但在一般焊接结构中残余变形的危害性比残余应力大得多，它使焊件或部件的尺寸改变而无法组装，使整个构件丧失稳定而不能承受载荷，使产品质量大大下降，而校正却要消耗大量的精力和物力，有时导致产品报废。焊接裂缝的产生往往也和残余变形和应力有着密切的关系。有的金属由于焊后产生了残余应力而让使用性能大为下降，从而对这类金属的焊接件生产造成工艺上的大量困难。因此，在制造焊接结构时，必须充分了解焊接时内应力发生的机理和焊后决定工件变形的基本规律，以控制和减少它的危害性。
5、减小焊接残余应力的措施
  （1）、设计措施
    A、尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。
    B、避免焊缝过分集中。
    C、采用刚度较小的接头形式。
  （2）、工艺措施
    A、采用合理的装配焊接顺序和方向。  
    在一个平面上的焊缝，焊接时应保证焊缝的纵向和横向收缩均能比较自由，先焊相互错开的短焊缝，后焊直通长焊缝。
    收缩量最大的焊缝应先焊，因为先焊的焊缝收缩时受阻较小，因而残余应力就比较小，对接焊缝的收缩量比角焊缝的收缩量大。工作时受力最大的焊缝应先焊。
焊接平面交叉焊缝时，在焊缝的交叉点易产生较大的焊接残余应力。
    B、预热法。
C、冷焊法。  
冷焊法是通过减少焊件受热来减小焊接部位与结构上其他部位间的温度差。
    D、降低焊缝的拘束度。
E、加热“减应区”法。  
焊接时加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，起到减小焊接残余应力的作用。
6、消除焊接残余应力的方法
  （1）、热处理法  
    包括整体高温回火和局部回火。
  （2）、整体热处理  
    是将整个构件缓慢加热到一定的温度（低碳钢为650℃），并在该温度下保温一定的时间（一般按每毫米板厚保温2~4min，但总时间不少于30min），然后空冷或随炉冷却。
  （3）、局部热处理。
  （4）、机械拉伸法。
    在压力容器制造的最后阶段，通常要进行水压试验，和起重机的静载试验，其目的之一也是利用加载来消除部分残余应力。
  （5）、锤击焊缝。
    锤击焊缝，可使焊缝金属产生延伸变形，能抵消一部分压缩塑性变形，起到减小焊接残余应力的作用。
  （6）、振动法
四、影响焊接变形的因素及种类
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、结构和工艺三个方面。
1、材料因素
    材料对于焊接变形的影响不仅和焊接材料有关，而且和母材也有关系，材料的热物理性能参数和力学性能参数都对焊接变形的产生过程有重要的影响。其中热物理性能参数的影响主要体现在热传导系数上，一般热传导系数越小，温度梯度越大，焊接变形越显著。力学性能对焊接变形的影响比较复杂，热膨胀系数的影响最为明显，随着热膨胀系数的增加焊接变形相应增加。同时材料在高温区的屈服极限和弹性模量及其随温度的变化率也起着十分重要的作用，一般情况下，随着弹性模量的增大，焊接变形随之减少而较高的屈服极限会引起较高的残余应力，焊接结构存储的变形能量也会因此而增大，从而可能促使脆性断裂，此外，由于塑性应变较小且塑性区范围不大，因而焊接变形得以减少。
2、结构因素
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。其总体原则是随拘束度的增加，焊接残余应力增加，而焊接变形则相应减少。结构在焊接变形过程中，工件本身的拘束度是不断变化着的，因此自身为变拘束结构，同时还受到外加拘束的影响。一般情况下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，而且在某些区域，如筋板、加强板等，拘束度发生较大的变化，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。
3、工艺因素
    焊接工艺对焊接变形的影响方面很多，例如焊接方法、焊接输入电流电压量、构件的定位或固定方法、焊接顺序、焊接胎架及夹具的应用等。在各种工艺因素中，焊接顺序对焊接变形的影响显著，一般情况下，改变焊接顺序可以改变残余应力的分布及应力状态，减少焊接变形。多层焊以及焊接工艺参数也对焊接变形有十分重要的影响。焊接工作者在长期研究中，总结出一些经验，利用特殊的工艺规范和措施，达到减少焊接残余应力和变形，改善残余应力分布状态的目的。
4、焊接变形的种类
  （1）、纵向收缩和横向收缩
    在焊缝长度方向上的收缩称纵向收缩，而在垂直于焊缝纵向的收缩称横向收缩。由于这种收缩，便使焊件发生了变形。
  （2）、角变形。
  （3）、弯曲变形。
  （4）、波浪变形 。
  （5）、扭曲变形。
  （6）、从焊接工艺上分析影响焊缝收缩量的因素。
    （7）、手工电弧焊焊接长焊缝时，一般采用焊前沿焊缝进行点固焊。这不仅有利于减小焊接变形，也有利于减小焊接内应力。备料情况和装配质量对焊接变形也会产生影响。
    A、线膨胀系数大的金属材料，其变形比线膨胀系数小的金属材料大。
    B、焊缝的纵向收缩量随着焊缝长度的增加而增加。
    C、角焊缝的横向收缩比对接焊缝的横向收缩小。
    D、间断焊缝比连续焊缝的收缩量小。
    E、多层焊时，第一层引起的收缩量最大，以后各层逐渐减小。
    F、在夹具固定条件下的焊接收缩量比没有夹具固定的焊接收缩量小，约减少40%--70%。
    G、焊脚等于平板厚度的丁字接头，角变形量较大。
五、焊接变形的控制及防治
焊接变形在焊接结构中的分布是很复杂的。按变形对整个焊接结构的影响程度可将焊接变形分成局部变形和整体变形。
五种基本变形形式：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。
1、设计控制
  （1）、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，不但焊接量大，而且焊接变形也大。因此，在保证结构承载能力的条件下，设计时应尽量采用较小的焊缝尺寸。对于受力较大的丁字接头和十字接头，在保证相同强度的条件下，采用开坡口的焊缝可以比一般角焊缝减少焊缝金属，对减小变形有利。
  （2）、尽可能减少不必要的焊缝，合理地选择筋板的形状，适当地安排筋板的位置，力求焊缝数量少，避免不必要的焊缝，从而减小焊接变形。
  （3）、合理地安排焊缝位置，安排焊缝尽可能对称于截面中性轴，或者使焊缝接近中性轴，这对于减少梁、柱等类型结构的挠曲变形有良好的效果。
2、工艺控制
  （1）、焊前控制
焊前预防主要包括预防变形、预拉伸法和刚性固定组装法。预变性法或称反变形法是根据预测的焊接变形大小和方向，在待焊工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，使焊件恢复到设计要求的几何形状和尺寸。
预拉伸法多用于薄板平面构件，焊接时在薄板有预张力或有预先热膨胀量的情况下进行。焊后，去除预拉伸或加热，薄板恢复初始状态，可有效地降低焊接残余应力，控制焊接变形。
预热的作用在于减小温度阶梯，不同的预热温度在降低残余应力的作用方面有一定的差别，预热温度在300℃～400℃时，在钢中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%。
刚性固定组装法是采用夹具或刚性胎具将被焊构件尽可能地固定，可有效地控制待焊件的角变形与弯曲变形等。
A、反变形法
    在焊前进行装配时，预置反方向的变形量为抵消（补偿）焊接变形。  
    B、利用装配和焊接顺序来控制变形
    采用合理的装配和焊接程序来减少变形，这在生产实践中是行之有效的好办法，有许多结构截面形状对称，焊缝布置也对称，但焊后却发生弯曲或扭曲的变形，这主要是装配和焊接顺序不合理引起的，也就是各条焊缝引起的变形，未能相互抵消，于是发生变形。 焊接顺序是影响焊接结构变形的主要因素之一，安排焊接顺序时应注意下列原则：
    、尽量采用对称焊接。对于具有对称焊缝的工作，最好由成对的焊工对称进行焊接。这样可以使由各焊缝所引起的变形相互抵消一部分。
    、对某些焊缝布置不对称的结构，应先焊焊缝少的一侧。
    、依据不同焊接顺序的特点，以焊接程序控制焊接变形量。
    C、分段退焊法
    这种方法适用于各种空间的位置的焊接，除立焊外，钢材较厚、焊缝较长时都可以设挡弧板，多人同时焊接。其优点是可以减小热影响区，避免变形。每段长应为0.5—1m。
    D、分中段退焊法
    这种方法适用于中板或较薄的钢板的焊接，它的优点是中间散热快，缩小焊缝两端的温度差。焊缝热影响区的温度不至于急剧增高，减少或避免热膨胀变形。这种方法特别适用于平焊和仰焊，横焊一般不采用，立焊根本不能用。
E、跳焊法
    这种方法除立焊外，平焊、横焊、仰焊三种方法都适用，多用在6—12mm厚钢板的长焊缝和铸铁、不锈钢、铜的焊接上，可以分散焊缝热量，避免或减小变形。钢材每段焊缝长度在200—400mm之间；铸铁焊件按铸铁焊接规范处理；不锈钢和铜由于导热快，每段长不宜超过200mm (薄板应短些)。
F、交替焊法
    这种焊法和跳焊法基本相同，只是每段焊接距离拉长，特别适用于薄板和长焊缝。
    G、分中对称法
    这种方法适用于焊缝较短的焊件，为了减小变形，由中心分两端一次焊完。
  （2）、过程控制
焊接过程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接规范参数，选择合理的焊接顺序以及采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施。选择能量较低的焊接方法以及合理地控制焊接规范参数可以有效地防止焊接变形。采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施可以降低残余应力和减小焊接变形。采用随焊两侧加热，横向应变、纵向应变和最大剪切应变的分布更加均匀，变化更加平缓，起到减小焊接残余应力和变形的作用。
随焊碾压法由于设备复杂、使用不便等原因，在生产应用中受到一定的限制，但该方法在提高焊接变形等方面具有理想的效果。
随焊激冷法能够显著地降低残余应力和减少焊接变形。焊接顺序对焊接残余应力和变形的产生影响较大，在采用不同的焊接顺序时，可以改变残余应力的分布规律，但对残余应力整体幅值的降低作用不大，同时该方法对于控制焊接变形有较大的作用，尤其在多道焊中，作用更加明显。
  A、刚性固定法
    刚性固定法减小变形很有效，且焊接时不必过分考虑焊接顺序。缺点是有些大件不易固定，且焊后撤除固定后，焊件还有少许变形和较大的残余应力。这种方法适用于焊接厚度小于6mm及韧性较好的薄壁材料。如果与反变形法配合使用则效果更好。 对于形状复杂，尺寸不大，又是成批生产的焊件，可设计一个能够转动的专用焊接胎具，既可以防止变形，又能提高生产率。 
    当工件较大，数量又不多时，可在容易发生变形的部位临时焊上一些支撑或拉杆，增加工件的刚性，也能有效的减少焊接变形。
     B、散热法
    散热法又称强迫冷却法，即将焊接处的热量迅速散走，使焊缝附近的金属受热面大大减少，达到减小焊接变形的目的。但散热法比较麻烦，且对于淬火倾向大的钢材不宜采用，否则易裂。
     C、锤击焊缝法
    锤击焊缝法，即用圆头小锤对焊缝敲击，可减少焊接变形和应力。因此对焊缝适当锻延，使其伸长来补偿这个缩短，就能减小变形和应力。锤击时用力要均匀，一般采用0.5Kg—1.0Kg的手锤，其端部为圆角（R=3—5mm）。底层和表面焊道一般不锤击，以免金属表面冷作硬化。其余各道焊完一道后立刻锤击，直至将焊缝表面打出均匀致密的点为止。
  （3）、焊后矫正
    当焊件焊接后，只能通过矫正措施来减小或消除已发生的残余变形。焊后矫正措施主要分为加热矫正法和机械矫正法。加热矫正法又分为整体加热和局部加热。整体热矫正是指将整体构件加热至锻造温度以上再进行矫正的方法，可用以消除较大的形状偏差。但是焊后整体加热容易引起冶金方面的副作用，限制了该方法的进一步推广及应用。局部热矫正多采用火焰对焊接构件局部加热，在高温处，材料的热膨胀受到构件本身刚性制约，产生局部压缩塑性变形，冷却后收缩，抵消了焊后部位的伸长变形，达到矫正目的，火焰加热法采用一般的气焊焊炬，不需要专门的设备，方法简便灵活，因此在生产上广为应用。此外，还有利用机械力或冲击能等进行焊接变形矫正，包括静力加压矫直法、焊缝滚压法、锤击法等。
    A、手工矫正法
    手工矫正法就是利用锤子、大锤等工具锤击焊件的变形处。
    B、机械矫正法
    机械矫正法就是利用机器或工具来矫正焊接变形。
    C、火焰加热矫正法
火焰加热矫正法就是利用火焰对焊件进行局部加热，使焊件产生新的变形去抵消焊接变形。

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