焊接變形的影響因素與控制(論文)

1、河 北 科 技 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 性 質(zhì)： 成人高等教育 學(xué)生姓名： 韓哲 學(xué) 院： 機(jī)電學(xué)院 年 級(jí)： 09 級(jí) 層 次： ?？?專 業(yè)： 機(jī)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(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 1 頁(yè)共 10 頁(yè) 目 錄目 錄-1摘 要-2第一節(jié) 焊接應(yīng)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(yù)防與控制措施-7參考文獻(xiàn)-11 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 2 頁(yè)共 10 頁(yè) 摘 要 焊接過(guò)程是對(duì)焊件的局部進(jìn)行高溫加熱使其達(dá)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)

2、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)力與變形直接影響焊件的尺寸精度、強(qiáng)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(jì)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)力與變形過(guò)大時(shí)，不僅給產(chǎn)品制造工藝增加困難，還會(huì)因焊接裂紋或變形過(guò)大無(wú)法矯正而導(dǎo)致構(gòu)件報(bào)廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)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 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 3 頁(yè)共 10 頁(yè) 第一節(jié) 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(duì)于任何一點(diǎn)的力矩總

3、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(guò)程中所產(chǎn)生的應(yīng)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(guān)。 2、相變應(yīng)力：金屬發(fā)生相變時(shí)，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(guò)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(shí)，都會(huì)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(shí)，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(lái)的變形即殘余變形。 焊接過(guò)程中焊件的熱應(yīng)力是隨時(shí)

4、間而變化的瞬時(shí)應(yīng)力，焊后殘余下來(lái)，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(xiàng)應(yīng)力、雙向應(yīng)力和三項(xiàng)應(yīng)力。薄板對(duì)接時(shí)，可以認(rèn)為是雙向應(yīng)力。大厚度焊件的焊縫，三個(gè)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(xiǎn)的應(yīng)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(jié)晶后形成焊縫使原來(lái)分開的鋼材連接成整體。由于焊接加熱時(shí)焊接接頭局部加熱不均勻金屬冷卻后沿焊縫縱向收縮時(shí)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(yuǎn)離焊縫區(qū)域受壓應(yīng)力。加熱、冷卻這種熱變

5、化在局部范圍急速地進(jìn)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(lái)，焊接變形因此產(chǎn)生。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 4 頁(yè)共 10 頁(yè)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(cuò)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(duì)接焊焊縫布置不對(duì)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(duì)稱，焊縫多的一面收縮量大而引起的工件彎曲，多出現(xiàn)在“t”型梁焊接加工過(guò)程中；圖 1-f 扭曲變

6、形由于焊接過(guò)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(guò)程中；圖 1-d 波浪變形這種變形易發(fā)生在薄板焊接過(guò)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。圖 1-e 錯(cuò)邊變形焊接過(guò)程中，由于兩塊板材的熱膨脹不一致，可能引起長(zhǎng)度方向或厚度方向上的錯(cuò)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(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 5 頁(yè)共 10 頁(yè) 焊接變形可以分為在焊接熱過(guò)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(lái)主要有材料性能、設(shè)計(jì)結(jié)

7、構(gòu)和焊接工藝三個(gè)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，故其它合金元素可以換算成碳的相當(dāng)含量來(lái)估算它們對(duì)焊接性的影響。 碳當(dāng)量 cecmn/6nicu/15grmov/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) ce0.4時(shí)，鋼材焊接性良好，冷裂紋傾向小，焊接時(shí)一般不需加熱；當(dāng)ce0.40.6 時(shí)，焊接性較差，冷裂傾向明顯，焊接時(shí)需預(yù)熱并采取其它工藝措施；ce0.6 時(shí)，焊接性差，冷裂傾向嚴(yán)重，焊接時(shí)需要較高預(yù)熱溫度

8、和嚴(yán)格的工藝措施。二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素的影響 焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)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(guò)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(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)地位而結(jié)構(gòu)本身在焊接過(guò)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(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)常需要采用肋板或加強(qiáng)板來(lái)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與控制帶來(lái)了一定的難度。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)結(jié)構(gòu)板的厚度及肋板或加強(qiáng)筋的位置數(shù)量等進(jìn)行優(yōu)化對(duì)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

9、使焊縫及其附近的母材經(jīng)歷了一個(gè)加熱和冷卻的熱過(guò)程，由于溫度分部不均勻，焊縫受到一次復(fù)雜的冶金過(guò)程，焊縫周圍受到一次不同規(guī)范的熱處理，引起 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 6 頁(yè)共 10 頁(yè)相應(yīng)的組織和性能的變化，直接影響焊縫質(zhì)量。 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(hù)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(hù)焊最小。一般情況下，焊接熱輸入大時(shí)，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(shí)，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

10、焊縫的收縮同時(shí)受到板厚、深度、母材方面的約束，因此，變形相對(duì)較小。 2“t”形角接頭和搭接接頭時(shí)，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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)接 1.3 1.4 1.8 2

11、.1 2.6 3.4 1.6 1.9 2.4 2.9 x 形坡口對(duì)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(wú)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(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 7 頁(yè)共 10 頁(yè) 3、焊接層數(shù)的影響 1橫向收縮：在對(duì)接接頭多層焊接時(shí)，第一層焊縫的橫向收縮符合對(duì)接焊的一般條件和變形規(guī)律，第一層以后相當(dāng)于無(wú)間隙對(duì)接焊，接近于蓋面焊道時(shí)與堆焊的條件和變形規(guī)律相似，因此，收縮變

12、形相對(duì)較小。 2縱向收縮：多層焊接時(shí)，每層焊縫的熱輸入比一次完成的單層焊時(shí)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(duì)下層焊縫形成約束，因此，多層焊時(shí)的縱向收縮變形比單層焊時(shí)小得多，而且焊接層數(shù)越多，縱向變形越小。 第四節(jié) 焊接變形的預(yù)防與控制措施一、設(shè)計(jì)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(shí)收縮引起的塑性變形量越大，收縮變形越大。在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，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)匕才爬甙宓奈恢脙?yōu)化肋板數(shù)量，避免不必要的焊縫以減少肋板數(shù)量來(lái)減少焊接和矯

13、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(jì)時(shí)應(yīng)盡量盡可能采用較小的坡口尺寸，減小焊縫截面積，對(duì)于板縫較大的對(duì)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(duì)于不需要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)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(jì)計(jì)算確定“t”接頭角焊縫時(shí)，應(yīng)采用連續(xù)焊縫，不應(yīng)采用與之等強(qiáng)的斷續(xù)焊縫，并應(yīng)采用雙面連續(xù)焊縫代替等強(qiáng)度的單面連續(xù)焊縫，以減少焊角尺寸。 對(duì)于受力較大的“t

14、”形或“十”字接頭，在保證強(qiáng)度的條件下，應(yīng)采用開坡口 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 8 頁(yè)共 10 頁(yè)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式及合理安排焊縫位置 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮焊接工作量最小，以及部件總裝時(shí)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(jì)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?，或者使焊縫焊接變形量最小的方向，焊縫位置應(yīng)盡量對(duì)稱于截面

15、中心線（或軸線）接近中心線（或軸線），這對(duì)于減少梁、柱等類型結(jié)構(gòu)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(gòu)件生產(chǎn)制造過(guò)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(guò)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(cè)的焊接變形大小和方向在焊件裝配時(shí)造成與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(jì)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(shí)，在工件下料尺寸上所加的焊接裕量通常為 0

16、.10.2 圖2 平板焊接的反變形以彌補(bǔ)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(lái)限制焊接變形，對(duì)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 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 9 頁(yè)共 10 頁(yè)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(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。 3預(yù)拉伸法是采用機(jī)械預(yù)拉伸或加熱預(yù)拉伸的方法使鋼板得到預(yù)先的拉伸與伸長(zhǎng)，這時(shí)在張緊的鋼板上進(jìn)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)力方面的差別：當(dāng)預(yù)熱溫度在

17、300400時(shí)殘余應(yīng)力水平降低 3050當(dāng)預(yù)熱溫度為 200時(shí)殘余應(yīng)力水平降低 1020。） 2、焊接過(guò)程控制措施 焊接過(guò)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(qiáng)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(zhǎng)焊縫。焊接 1 米以上的長(zhǎng)焊縫時(shí)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(zhǎng)度的方法預(yù)留 100200mm 的焊縫對(duì)縱向收縮變形給予補(bǔ)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?！皌”形接頭板厚較大時(shí)采用開坡口對(duì)接焊縫。雙面均可焊接操作時(shí)，要采用雙面對(duì)稱坡口，并在多層焊時(shí)采用與構(gòu)件中心線（或軸線）對(duì)稱的焊接順序。

18、 3縱向加強(qiáng)肋和橫向加強(qiáng)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(duì)稱施焊，并可同時(shí)進(jìn)行。 4對(duì)于焊縫較多的構(gòu)件，組焊時(shí)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 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(shù)，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(guò)較小的焊接熱輸入，控制焊接溫度場(chǎng)，減小焊接變形。例如：對(duì)屈服強(qiáng)度 345mpa 以下，淬硬性不強(qiáng)的鋼材采用較小的熱輸入，盡可能不預(yù)熱或適當(dāng)降 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 10 頁(yè)共 10

19、 頁(yè)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(hù)焊。 6采用焊強(qiáng)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(guò)矯正措施來(lái)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(jī)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(jī)械矯正法是采用手工錘擊、壓力機(jī)、多輥平板機(jī)等對(duì)焊件進(jìn)行靜力加壓或輾壓，產(chǎn)生新的塑性變形，使原來(lái)縮短的部分得到延伸，從而矯正變形。 加熱矯正法是通過(guò)使用火焰對(duì)焊件進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訜?，使焊件縮短的部分得到延伸，利用加熱時(shí)的壓縮變形和冷卻時(shí)的收縮變形來(lái)矯正原來(lái)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(gòu)件加熱至鍛造溫度以上再進(jìn)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(jìn)一步推廣及應(yīng)用。 2局