焊接變形的影響因素與控制(論文).doc

河 北 科 技 大 學 畢 業(yè) 論 文 性 質： 成人高等教育 學生姓名： 韓哲 學 院： 機電學院 年 級： 09 級 層 次： ?？?專 業(yè)： 機電一體化 形 式： 業(yè)余 題 目：焊接變形的影響因素與控制 2011 年 9 月 26 日 畢業(yè)設計說明書（論文） 第 1 頁共 10 頁 目 錄目 錄-1摘 要-2第一節(jié) 焊接應力-3第二節(jié) 焊接變形-3第三節(jié) 焊接變形的影響因素-4第四節(jié) 焊接變形的預防與控制措施-7參考文獻-11 畢業(yè)設計說明書（論文） 第 2 頁共 10 頁 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)，隨后快速冷卻結晶形成焊縫，由于急劇的非平衡加熱及冷卻結構將不可避免地產生焊后殘余變形、應力以及金屬組織的變化。焊接應力與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。是影響結構設計完整性、制造工藝合理性和結構使用可靠性的關鍵因素。焊接應力與變形過大時，不僅給產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致構件報廢，造成巨大的經濟損失。本文主要闡述焊接變形的影響因素、控制措施和方法。 關鍵詞:焊接變形影響因素控制措施 畢業(yè)設計說明書（論文） 第 3 頁共 10 頁 第一節(jié) 焊接應力 在沒有外力的情況下，物體內部存在的應力稱為內應力，內應力在物體內部自相平衡，即物體內部各方向的內應力總和等于零，內應力對于任何一點的力矩總和等于零。常見的內應力有以下幾種： 1、熱應力：又稱溫度應力。它是在不均勻加熱及冷卻過程中所產生的應力，它與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。 2、相變應力：金屬發(fā)生相變時，由于體積發(fā)生變化而引起的應力。 3、裝配應力：在裝配和安裝過程中產生的應力。例如：緊固螺栓、熱套結構等均勻有內應力產生。 4、殘余應力：當構件上承受局部荷載或經受不均勻加熱時，都會在局部地區(qū)產生塑性應變。當局部外載撤去后或熱源離去，構件溫度恢復到原始的均勻狀態(tài)時，由于構件內部發(fā)生了不能恢復的塑性變形，因而產生了內應力，即殘余應力。殘留下來的變形即殘余變形。 焊接過程中焊件的熱應力是隨時間而變化的瞬時應力，焊后殘余下來，即為殘余應力。按照焊接應力在空間的方向可以分為單項應力、雙向應力和三項應力。薄板對接時，可以認為是雙向應力。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三向應力，三相應力使材料的塑性降低，容易導致脆性斷裂，它是一種最危險的應力狀態(tài)。 第二節(jié) 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)域受拉應力，遠離焊縫區(qū)域受壓應力。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，焊接變形因此產生。 畢業(yè)設計說明書（論文） 第 4 頁共 10 頁二、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、波浪變形和錯邊變形六種基本形式。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；（圖 1-a） 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；（圖 1-b） 彎曲變形由于焊縫布置不對稱，焊縫多的一面收縮量大而引起的工件彎曲，多出現在“t”型梁焊接加工過程中；圖 1-f 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，多出現在工字梁的焊接加工過程中；圖 1-d 波浪變形這種變形易發(fā)生在薄板焊接過程中。是由于焊縫收縮使薄板局部引起較大的壓應力而失去穩(wěn)定性，焊后使構件成波浪形。圖 1-e 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。（圖 1-c） a b c d e f 圖1 常見焊接變形的基本形式 第三節(jié) 焊接變形的影響因素 畢業(yè)設計說明書（論文） 第 5 頁共 10 頁 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、設計結構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而且和母材也有關系它決定于金屬材料的本身性質和加工條件。金屬的化學成分不同，其焊接性也不同。碳的影響最大，故其它合金元素可以換算成碳的相當含量來估算它們對焊接性的影響。 碳當量 cecmn/6nicu/15grmov/5 式中各化學元素含量取其成分的上限。碳當量越大，焊接性能越差。 當 ce0.4時，鋼材焊接性良好，冷裂紋傾向小，焊接時一般不需加熱；當ce0.40.6 時，焊接性較差，冷裂傾向明顯，焊接時需預熱并采取其它工藝措施；ce0.6 時，焊接性差，冷裂傾向嚴重，焊接時需要較高預熱溫度和嚴格的工藝措施。二、結構設計因素的影響 焊接結構的設計對焊接變形的影響最關鍵也是最復雜的因素。雖然焊接工件隨拘束度的增加焊接殘余應力增加焊接變形相應減少，但在焊接變形過程中工件本身的拘束度是不斷變化著的，復雜結構自身的拘束作用在焊接過程中占據主導地位而結構本身在焊接過程中的拘束度變化情況隨結構復雜程度的增加而增加。在設計焊接結構時常需要采用肋板或加強板來提高結構的穩(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與控制帶來了一定的難度。因此在結構設計時針對結構板的厚度及肋板或加強筋的位置數量等進行優(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歷了一個加熱和冷卻的熱過程，由于溫度分部不均勻，焊縫受到一次復雜的冶金過程，焊縫周圍受到一次不同規(guī)范的熱處理，引起 畢業(yè)設計說明書（論文） 第 6 頁共 10 頁相應的組織和性能的變化，直接影響焊縫質量。 金屬結構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”形角接頭和搭接接頭時，其焊縫橫向收縮情況與堆焊相似，其橫向收縮值與角焊縫面積成正比，與板厚成反比。 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。 表1 焊縫橫向收縮變形近似值 板厚 mm 接頭形式 34 48 812 1216 1620 2024 2430 收縮量/mm 0.7 1.3 1.4 1.8 2.1 2.6 v 形坡口對接 1.3 1.4 1.8 2.1 2.6 3.4 1.6 1.9 2.4 2.9 x 形坡口對接 1.9 2.4 2.8 3.2 1.5 1.6 1.8 2.1 2.5 3.0單面坡口十字接頭 3.54 1.6 1.8 2.1 2.5 3.0 3.5 單面坡口角焊縫 0.8 0.7 0.6 0.4無坡口單面角焊縫 0.9 0.8 0.7 0.4 雙面斷續(xù)角焊縫 0.4 0.3 0.2 畢業(yè)設計說明書（論文） 第 7 頁共 10 頁 3、焊接層數的影響 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，第一層以后相當于無間隙對接焊，接近于蓋面焊道時與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，而且焊接層數越多，縱向變形越小。 第四節(jié) 焊接變形的預防與控制措施一、設計措施 1、盡量減少焊縫數量 焊縫截面積是指熔合線范圍內的金屬面積。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。在設計焊接結構時，應當避免不必要的焊縫，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地安排肋板的位置優(yōu)化肋板數量，避免不必要的焊縫以減少肋板數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量和尺寸，在保證結構的承載能力的條件下設計時應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。 當設計計算確定“t”接頭角焊縫時，應采用連續(xù)焊縫，不應采用與之等強的斷續(xù)焊縫，并應采用雙面連續(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”形或“十”字接頭，在保證強度的條件下，應采用開坡口 畢業(yè)設計說明書（論文） 第 8 頁共 10 頁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。 表2 低碳鋼最小焊腳尺寸（mm） 板厚 6 718 1930 3150 51100最小焊腳尺寸 3 4 6 8 10 3、合理設計結構形式及合理安排焊縫位置 設計結構時應考慮焊接工作量最小，以及部件總裝時的焊接變形量最小。薄板結構應選合適的板厚，減少骨架間距及焊角尺寸，以減少波浪變形。此外，還應避免設計曲線形結構。 由于焊縫橫向收縮通常比縱向收縮顯著，因此應盡量將焊縫布置在平行于?，或者使焊縫焊接變形量最小的方向，焊縫位置應盡量對稱于截面中心線（或軸線）接近中心線（或軸線），這對于減少梁、柱等類型結構的扭曲變形具有良好的效果。二、工藝措施 工藝措施是指在焊接構件生產制造過程中所采用的一系列措施將其分為焊前預防措施、焊接過程中的控制措施和焊后矯正措施。 1、焊前預防措施 焊接應力的控制措施主要包括反變形法、加裕量法、剛性固定法和預拉伸法。 1反變形法是根據預測的焊接變形大小和方向在焊件裝配時造成與焊接殘余變形大小相當、方向相反的預變形量反變形量焊后焊接殘余變形抵消了預變形量使構件恢復到設計要求的幾何形狀和尺寸。這種預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 0.10.2 圖2 平板焊接的反變形以彌補焊后變形。 2剛性固定法是采用夾具或剛性胎具將被焊構件加以固定來限制焊接變形，對于剛度小的結構 ，剛性固定可有效的控制角變形、波浪變形及彎曲變形。結構剛度 畢業(yè)設計說明書（論文） 第 9 頁共 10 頁越大，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，但會產生較大的焊接應力。 3預拉伸法是采用機械預拉伸或加熱預拉伸的方法使鋼板得到預先的拉伸與伸長，這時在張緊的鋼板上進行焊接裝配，焊后去除預拉伸或加熱使鋼板恢復初始狀態(tài)。此方法多用于薄板平面構件，可有效地降低焊接殘余應力防止波浪變形。 （不同的預熱溫度在降低殘余應力方面的差別：當預熱溫度在 300400時殘余應力水平降低 3050當預熱溫度為 200時殘余應力水平降低 1020。） 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、跳焊預留焊接長度的方法預留 100200mm 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，并在多層焊時采用與構件中心線（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。中心板和內環(huán)板之間的焊縫，可由數名焊工均布對稱施焊，并可同時進行。 4對于焊縫較多的構件，組焊時要采取合理的焊接順序。根據結構和焊縫的布置，要先焊收縮量較大的焊縫，后焊收縮量較 5 2小的焊縫；先焊拘束度較大而不能自由收縮 1 1 3 2的焊縫，后焊拘束度較小而能自由收縮的焊縫。 5選用不同的焊接參數，采用能量密度較高的 圖 3 合理的拼板焊接順序焊接方法，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，盡可能不預熱或適當降 畢業(yè)設計說明書（論文） 第 10 頁共 10 頁低預熱和層間溫度，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力和減少焊接變形。 3、焊后矯正措施 當構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。 加熱矯正法是通過使用火焰對焊件進行適當的加熱，使焊件縮短的部分得到延伸，利用加熱時的壓縮變形和冷卻時的收縮變形來矯正原來的變形。主要適用于低碳鋼和沒有淬硬傾向的普通低合金鋼。 1整體加熱矯正是指將整體構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應用。 2局