焊接殘余變形與應(yīng)力預(yù)防和矯正措施

1、焊接殘余變形與應(yīng)力 預(yù)防和矯正措施,學(xué)習(xí)目標,知識目標： 1.識記控制焊接殘余應(yīng)力的措施。 2.理解控制焊接變形的方法。 能力目標： 理論聯(lián)系實踐，把理論應(yīng)用到生產(chǎn)實習(xí)中,主要內(nèi)容,一、防止和減少焊接殘余變形與應(yīng)力的措施 二、焊接殘余應(yīng)變的矯正及殘余應(yīng)力的消除,一、防止和減少措施,1.焊接結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計 合理的設(shè)計方案是控制焊接殘余變形與應(yīng)力的重要措施。 在焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計時要考慮：在保證結(jié)構(gòu)有足夠強度的前提下，盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸，對稱布置焊縫，必要時預(yù)先留出收縮余量，適當(dāng)采用沖壓結(jié)構(gòu)，減少焊接結(jié)構(gòu)，將焊縫布置在最大工作應(yīng)力之外，留出裝焊夾具的位置,2.控制焊接殘余變形的工藝措施 （1）選

2、擇合理的裝焊順序 采用不同的裝配、焊接順序，焊后會產(chǎn)生不同的變形效果。 先裝配后焊接。 工字梁的兩種裝焊順序。A先裝配、焊接成丁字形，然后再裝配另一塊翼板，最后焊成工字梁。采用這種焊裝順序，焊接丁字形結(jié)構(gòu)時，由于焊縫在中性軸的下方，焊后將產(chǎn)生較大的上供彎曲變形，即使另一塊翼板焊后產(chǎn)生反向彎曲變形，也難以抵消原來的變形，最后工字梁形成上供彎曲變形。 B先整體裝配成工字梁，然后再進行焊接，梁的剛性增加，再采用對稱、分段焊接順序，焊后上供彎曲變形就小得多,內(nèi)部有大小隔板封閉箱形梁結(jié)構(gòu)，不能采用先裝后焊的裝焊順序，必須先制成 形梁后，才能制成箱形梁。首先將大小隔板與上蓋板裝配好，隨后焊接焊縫1，接著按

3、圖示裝焊,2）采取合理的焊接順序 1）對稱焊接 如果焊接結(jié)構(gòu)的焊縫是對稱分布的，采用對稱焊接。 工字梁，當(dāng)采用1、2、3、4的焊接順序時，雖然焊縫對稱，焊后仍會產(chǎn)生較大的上供彎曲變形。應(yīng)該注意焊接順序，因為焊接結(jié)構(gòu)的剛性會隨著先焊焊縫熔覆量的增加而增大，同時所產(chǎn)生的變形也增大。在結(jié)構(gòu)剛性增大的情況下，后焊產(chǎn)生的反變形不能完全抵消原先產(chǎn)生的變形,工字梁正確的焊接方法為： 1、2焊縫的長度分成若干段，采取分段、跳焊的對稱焊接，先焊完總長度的6070%，然后翻轉(zhuǎn)180焊接3、4焊縫，也采取分段、跳焊的對稱焊將3、4焊縫全部焊完，再翻轉(zhuǎn)試件，將1、2焊縫焊完。 這樣通過先后熔覆金屬的差量來控制變形,2

4、）不對稱焊縫先焊焊縫少的一側(cè) 如果焊接結(jié)構(gòu)的焊縫是不對稱的，采用先焊焊縫少的一側(cè)，后焊多的一側(cè)，使后焊的焊縫產(chǎn)生的變形足以抵消先前的變形，以使總體變形減小。 壓力機的上模結(jié)構(gòu)。如果先焊焊縫多的一側(cè)，結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)總體下?lián)蠌澢冃?。先?和1焊縫少的一側(cè)，焊后出現(xiàn)上供變形，接著焊接2、2及3、3焊縫多的一側(cè)，則焊后它們的收縮足以抵消先前產(chǎn)生的上供變形。如果按圖e的焊接順序進行船形焊，焊后變形最小,3）采用不同的焊接順序 結(jié)構(gòu)中存在長焊縫時，不宜采用直通焊。在實踐中，經(jīng)常采用不同焊接順序控制變形。其中分段退焊法、分中分段焊法、跳焊法和交替焊法，常用與長度為1m以上的焊縫；長度為0.51m的焊縫可用分中

5、對稱焊法。退焊法和跳焊法的每段焊縫長度一般為100350mm,3）反變形法 為了抵消焊接殘余變形，焊前預(yù)先使焊件向焊接變形相反的方向變形。V形坡口中采用。另外一種做法是兩塊焊件對接裝配時，采取終焊端的根部間隙比起焊端大，以避免焊接過程中，由于縱、橫向收縮，促使終焊端的間隙變小而影響打底層焊接質(zhì)量。 工字梁控制角變形，可在焊前預(yù)先將翼板制成反變形，然后按圖C所示的裝配角度和焊接順序進行焊接，以抵消焊后變形,4）剛性固定法 焊接前對焊件采取外加剛性約束，使焊件在焊接時不能自由變形。 幾種不同焊接結(jié)構(gòu)采取剛性固定法的實例,5）散熱法 焊接時用強迫冷卻的方法將焊接區(qū)的熱量帶走，使受熱面積大為減小，從而

6、達到減小變形的目的。 將焊件浸入水中焊接 噴水冷卻焊接 水冷紫銅板散熱焊接 注意：散熱發(fā)不適用與淬硬傾向較高的材料，否則會產(chǎn)生裂紋,1、設(shè)計措施 （1）合理選擇焊件尺寸 （2）合理選擇焊縫尺寸和坡口形式 （3）盡量減少不必要的焊縫 （4）合理安排焊縫位置,2、工藝措施 （1）反變形法 （2）剛性固定方法 （3）合理選擇焊接方法及焊接規(guī)范 （4）采用合理的裝配焊接順序 （5）散熱發(fā),方案a: 312 f1+f2+f3 方案b : 123 f1+f2f3 方案c：213 f1 f3,3.控制焊接殘余應(yīng)力的工藝措施 （1）選擇合理的焊接順序 1）盡可能使焊縫自由伸縮 減少焊接結(jié)構(gòu)在施焊時的約束，最大

7、限度地減小焊接殘余應(yīng)力。 大型容器底部有許多平板拼接而成。焊接應(yīng)從中間向四周進行，以使焊縫的收縮從內(nèi)向外依次產(chǎn)生。同時先焊橫向（短）焊縫，后焊縱向（長）焊縫。 帶肋板的工字梁的焊接順序，兩邊對稱地逐格焊接，使構(gòu)件自由收縮,2）先焊收縮量大的焊縫 先焊收縮量大、焊后可能產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力的焊縫，使焊縫收縮時的約束度小，故焊接殘余應(yīng)力也小。如同一結(jié)構(gòu)上既有對接焊縫，又有角接焊縫時，應(yīng)先焊收縮量相對較大的對接焊縫,3）先焊交叉焊縫的短焊縫，后焊直通長焊縫 保證短焊縫焊后有自由收縮的可能,合理選擇焊接順序和方向(先橫后縱,按焊縫長短確定焊接順序,2）選擇合理的焊接工藝參數(shù) 焊接時盡可能采用小直徑焊

8、條和較小的焊接電流，減小受熱范圍。 （3）采用預(yù)熱的方法 預(yù)熱溫度一般在150350之間。目的是減小焊接區(qū)和結(jié)構(gòu)整體的溫度差，以使焊縫區(qū)與結(jié)構(gòu)整體盡可能地均勻冷卻，從而減小內(nèi)應(yīng)力。常用于淬硬傾向較大的材料,4）加熱“減應(yīng)區(qū)”法 在焊接或補焊剛性很大的結(jié)構(gòu)時，選擇適當(dāng)?shù)牟课贿M行加熱使之伸長，加熱區(qū)的伸長帶動焊縫部位，使其產(chǎn)生與焊縫收縮方向相反的變形，然后再進行焊接。冷卻時，加熱區(qū)的收縮與焊縫的收縮方向相同，使焊縫有自由收縮的可能，焊接殘余應(yīng)力可大為減小。圖1-124f 如帶輪輪輻、輪緣的斷口補焊,5）敲擊法 在焊后冷卻過程中，用錘子或風(fēng)錘敲擊焊縫，促使它產(chǎn)生塑性變形，以抵消焊縫的一部分收縮量。進

9、行敲擊時，溫度應(yīng)當(dāng)維持在100150之間或400以上。應(yīng)避免在200300之間的藍脆性階段進行，以防敲擊產(chǎn)生裂紋。 多層焊時，第一層不敲擊，避免根部裂紋，最后一層也不敲擊，以保持焊縫表面美觀,二、矯正和消除措施,1.焊接殘余變形的矯正方法 （1）機械矯正法 工字梁焊后變形的矯正。低碳鋼結(jié)構(gòu)，焊后直接應(yīng)用此法，一般合金鋼結(jié)構(gòu)，焊后先進行消除應(yīng)力處理，再機械矯正，否則容易斷裂。 薄板波浪變形的機械矯正，采用捶打焊縫區(qū)的拉應(yīng)力段,2）火焰矯正法 采用氧-乙炔火焰或其他氣體火焰，以不均勻加熱方式引起結(jié)構(gòu)某部位變形來矯正原有的殘余變形。 具體方法是將變形構(gòu)件的局部，加熱到600800，鋼板呈褐紅色（低碳

10、鋼），自然冷卻或強制冷卻，使之冷卻后產(chǎn)生收縮變形來抵消原有的變形,鋼鐵加熱火色與溫度之間的關(guān)系,火焰加熱方式有三種： 1）點狀加熱矯正 鋼板和鋼管實例。 8mm以下鋼板波浪邊形，其加熱點直徑d一般不小于15mm，點間距離l隨變形量的大小而變，殘余變形越大，l越小，一般在50100mm之間變動。為提高矯正速度和避免冷卻后在加熱處出現(xiàn)小泡突起，加熱完畢后立即用木錘捶打加熱點及其周圍，然后水冷,B為鋼管彎曲的點狀加熱矯正。加熱溫度為800，加熱速度要快，加熱一點后迅速移到另一點加熱。用同樣的方法加熱、自然冷卻一到兩次,3）線狀加熱矯正 火焰沿著直線方向或者同時在寬度方向作橫向擺動的移動，形成帶狀加熱

11、。 加熱線的橫向收縮大于縱向收縮，加熱線的寬度越大，橫向收縮也越大。加熱線的寬度一般取鋼板厚度的0.52倍。多用于變形較大或剛性較大的結(jié)構(gòu)。 水火矯正，一般用于厚度不小于8mm的鋼板，兩者距離在2530mm,3）三角形加熱矯正 加熱部位是在彎曲變形構(gòu)件的凸緣，三角形的底邊在被矯正構(gòu)件的邊緣，頂點朝內(nèi)，可加外力或用水火矯正。 常用于矯正厚度較大、剛性較強構(gòu)件的彎曲變形,2.消除焊接殘余應(yīng)力的方法 （1）整體高溫回火熱處理 將焊件整體加熱至材料相變點以下的某一溫度范圍（550650），保溫一定時間（12min/mm，不少于30min，不高于3h），然后均勻、緩慢冷卻。 利用材料在此溫度下屈服點降低

12、，使內(nèi)部殘余應(yīng)力高的部位產(chǎn)生塑性變形。 14MnMoVB消除殘余應(yīng)力熱處理工藝曲線,2）局部高溫回火熱處理 用紅外線加熱器、工頻感應(yīng)加熱器等進行局部加熱，以降低焊件內(nèi)應(yīng)力峰值，部分消除應(yīng)力。加熱寬度一般應(yīng)不小于焊件厚度的4倍。在冷卻時用絕緣材料包裹加熱區(qū)域，進行緩冷,3）機械拉伸法 對焊件構(gòu)件進行加載，使焊后產(chǎn)生的壓縮殘余變形得到拉伸，可減小焊接引起的局部壓縮塑性變形量，降低內(nèi)應(yīng)力。例如焊接壓力容器的水壓試驗,4）溫差拉伸法 利用適當(dāng)寬度的火焰炬，在焊縫兩側(cè)加熱，隨同噴水冷卻，使兩側(cè)的金屬受熱（200）冷卻，對溫度較低（100）的焊縫區(qū)進行拉伸，產(chǎn)生塑性變形，抵消原來的壓縮塑性變形，從而消除內(nèi)

13、應(yīng)力。 適用于焊縫比較規(guī)則，厚度小于40mm的板、殼結(jié)構(gòu),5）振動法 利用偏心輪和變速電動機組成的激振器，使焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，降低內(nèi)應(yīng)力。 適用于大型焊接結(jié)構(gòu),控制焊接變形的措施（補充,1.設(shè)計措施 （1）選擇合理的焊縫形狀和尺寸： （2）減少焊縫的數(shù)量： （3）合理安排焊縫位置：如圖1-43、圖1-44 2.工藝措施 （1）留余量法： （2）反變形法：主要用于控制角變形和彎曲變形 （3）剛性固定法： （4）合理地選擇焊接方法和焊接參數(shù)： （5）熱平衡法：如圖1-57 （6）散熱法：如圖1-58,NEXT,圖1-41、42,返回,b,a,圖1-42 T形接頭的坡口 a)角變形大 b)角變形小,

14、圖1-41 相同承載能力的十字接頭,1）選擇最小的焊縫尺寸,2）選擇合理的坡口形式,圖1-43,返回,圖1-44,a,b,圖1-44 合理安排焊縫位置防止焊接變形 a)不合理 b)合理,返回,圖1-45,a,b,c,圖1-45 無外力作用下的反變形法 a)平板對接焊 b)電渣對接立焊 c)工字梁翼板反變形,返回,剛性固定法,1）將焊件固定在剛性平臺上，如圖1-48 2）將焊件組合成剛度更大或?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)，如圖1-49 3）利用焊接夾具增加結(jié)構(gòu)的剛度和拘束，如圖1-50 4）利用臨時支撐增加結(jié)構(gòu)的拘束,返回,圖1-48,圖1-48 薄板拼接時的剛性固定,返回,圖1-49,圖1-49 T形梁的剛性固

15、定與反變形,返回,圖1-50,圖1-50 對接拼板時的剛性固定,返回,選擇合理的裝配焊接順序,1）大而復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，先將結(jié)構(gòu)簡單的部件單獨進行焊接，再總裝成整體。 2）焊縫應(yīng)盡量靠近結(jié)構(gòu)截面的中性軸，如圖1-52 3）對于焊縫非對稱布置的結(jié)構(gòu)，裝配焊接時應(yīng)先焊焊縫少的一側(cè)，如圖1-53 4）焊縫對稱布置的結(jié)構(gòu)，應(yīng)由偶數(shù)焊工對稱施焊，如圖1-54 5）長焊縫焊接時，可采用圖1-55所示的方向和順序進行焊接，以減小其焊后的收縮變形,NEXT,圖1-52,a,b,圖1-52 主梁裝配焊接 a) 形梁結(jié)構(gòu)示意圖 b) 形梁的裝配焊接方案,返回,a,b,圖1-53,a,b,c,d,圖1-53 壓力機壓

16、型上模的焊接順序 a)壓型上模結(jié)構(gòu)圖 b)、c)、d)焊接順序,返回,圖1-54,圖1-54 圓筒體對接焊縫的焊接順序,返回,圖1-55,a,b,c,d,圖1-55 長焊縫的幾種焊接順序,返回,圖1-56,圖1-56 非對稱截面結(jié)構(gòu)的焊接,返回,圖1-57,圖1-57 采用熱平衡法防止焊接變形,返回,圖1-58,a,b,c,圖1-58 散熱法示意圖 a)水浸法散熱 b)噴水法散熱 c)散熱墊法散熱,返回,矯正焊接變形的方法,1.手工矯正法:主要用于矯正一些小型簡單焊件的彎曲變形和薄板的波浪變形 2.機械矯正法：適用于塑性較好的材料及形狀簡單的焊件，如圖1-59 3.火焰加熱矯正法：利用火焰對焊件進行局部加熱，使焊件產(chǎn)生新的變形來抵消焊接變形 （1）點狀加熱，如圖1-60 （2）線狀加熱，如圖1-61 （3）三角形加加熱，如圖1-62 火焰矯正變形的效果取決于三個因素： （1）加熱方