焊接變形控制技術(shù)要點(diǎn)

1、鋼結(jié)構(gòu)制造事業(yè)部焊接變形控制工藝編制： 校對(duì)：審核：批準(zhǔn)：重慶建工工業(yè)有限公司鋼結(jié)構(gòu)事業(yè)部2015年6月11日1焊接應(yīng)力2.1.1焊接應(yīng)力的種類 2.2焊接變形2.2.1 焊接變形發(fā)生的原因 2.2.2 焊接變形的主要形式 2.3焊接變形的影響因素 3.3.1 材料因素的影響3.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素的影響33.3 焊接工藝的影響3.3.3.1 焊接方法的影響.33.3.2 焊接接頭形式的影響33.3.3 焊接層數(shù)的影響43.4 焊接參數(shù)的影響4.3.4.1 電弧電壓4.3.4.2 焊接電壓過高43.4.3 焊接速度4.3.4.4 焊絲伸出長(zhǎng)度43.4.5 焊槍傾斜角度44焊接變形的預(yù)防與控制措

2、施 .5.4.1 設(shè)計(jì)措施5.4.1.1 盡量減少焊縫數(shù)量54.1.2 合理地選擇焊接的尺寸和形式54.1.3 合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式及合理安排焊縫位置 54.2 工藝措施5.4.2.1 焊前預(yù)防措施.5.4.2.2 焊接過程控制措施 64.3 焊后矯正措施6.4.3.1 機(jī)械矯正6.4.3.2 加熱矯正6.1焊接應(yīng)力焊接時(shí)，由于焊縫局部加熱到高溫狀態(tài)，焊件溫度均勻不分布，造成鋼結(jié)構(gòu) 不均勻冷卻收縮而產(chǎn)生變形。其次，在焊接時(shí)，由于不同焊接熱循環(huán)作用引起金 相組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，隨之而出現(xiàn)體積的變化，當(dāng)體積變化受到周圍金屬阻礙時(shí)便產(chǎn) 生了應(yīng)力，從而出現(xiàn)整體變形。焊接變形分為局部變形和整體變形。局部變形指焊接

3、結(jié)構(gòu)的某部分發(fā)生變 形，在焊接中易于矯正；整體變形指整個(gè)結(jié)構(gòu)的形狀或尺寸發(fā)生變化， 是由于焊 接在各個(gè)方向上收縮不均所引起的， 這在焊接中尤為重要，一般不允許發(fā)生整體 變形。焊接變形產(chǎn)生的原因很多，不均勻的局部加熱和冷卻是最主要原因。焊接時(shí)，焊件局部加熱到熔化狀態(tài)，形成了溫度不均勻分布區(qū)，使焊接出現(xiàn)不均勻的 熱膨脹，熱膨脹受到周圍金屬的阻礙不能自由膨脹而受到壓應(yīng)力，周圍的金屬則受到拉應(yīng)力。當(dāng)被加熱金屬受到的壓應(yīng)力超過屈服點(diǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生塑性變形；焊接冷卻時(shí)，由于加熱的金屬在加熱時(shí)已產(chǎn)生了壓縮的塑性變形，所以，最后的長(zhǎng)度要比未被加熱金屬的長(zhǎng)度短些，從而產(chǎn)生變形。1.1 焊接應(yīng)力的種類1.1.1 熱

4、應(yīng)力：又稱溫度應(yīng)力。它是在不均勻加熱及冷卻過程中所產(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)。1.1.2 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。1.1.3 裝配應(yīng)力：在裝配和安裝過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。1.1.4 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。殘留下來的變形即殘余變形。焊接過程中焊件的熱應(yīng)力是隨時(shí)間而變化的瞬時(shí)應(yīng)力，焊后殘余下來，即為 殘余應(yīng)力。2焊接變形2

5、.1 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，使原來分開的鋼材連接成整體。由于焊接加熱時(shí)還 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。因加熱、冷卻這種 熱變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，焊接變形因此產(chǎn)生。2.2 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、扭曲變形和破浪變形五種基 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（

6、垂直焊縫方向）收縮引 起的角變形由于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 勻而引起的變形彎曲變形T型梁焊接后，由于焊縫布置不對(duì)稱，焊縫多的一面收縮量大，引 起的工件彎曲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(xiàn)在工字梁的焊接加工過程中波浪變形這種變形易發(fā)生在波板焊接過程中。是由于焊縫收縮使薄板局部引 起較大的壓應(yīng)力而失去穩(wěn)定性，焊后使構(gòu)件成波浪形。錯(cuò)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(zhǎng)度方向或 厚度方向上的錯(cuò)邊。3焊接變形的影響因素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

7、接變形的因素很多，但歸納起來主要有材料性能、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和焊 接工藝三個(gè)方面。3.1 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，其它合金元素可以換算成碳的相當(dāng)含量 來估算它們對(duì)焊接性的影響。當(dāng)CM 0.4%寸，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)CE=0.40.6時(shí)，焊接性較差，冷冽傾向明顯，焊接時(shí)需預(yù)熱并采取其它工藝 措施；CE 0.6時(shí)，焊接性差，冷冽傾向嚴(yán)重，焊接時(shí)需要較高預(yù)熱溫度和嚴(yán)格 的工藝措施。3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素的影響焊接

8、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程中占據(jù) 主導(dǎo)地位，而結(jié)構(gòu)本身在焊接過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)，常需要采用筋板或加強(qiáng)板來提高結(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)板的厚度及筋板或加強(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。3.3 焊接工藝的影響3.3.1 焊接方法的影響熔焊使焊縫

9、及其附近的母材經(jīng)歷了一個(gè)加熱和冷卻的熱過程，由于溫度分度不均勻，焊縫受到一次復(fù)雜的冶金過程，焊縫周圍受到一次不同規(guī)范的熱處理， 引起相應(yīng)的組織和性能的變化，直接影響焊縫質(zhì)量。在金屬結(jié)構(gòu)焊接常用的焊接方法有埋弧焊，手工焊和CO2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。3.3.2 焊接接頭形式的影響表面堆焊時(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

10、相對(duì)較小。T形角接接頭和搭接接頭時(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。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。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。3.3.3 焊接層數(shù)的影響橫向收縮：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，收縮變形相對(duì)較小?？v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

11、 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，而且焊的層數(shù)越多，縱向變形越小。3.4 焊接參數(shù)的影響焊接電流的選擇根據(jù)材料，板厚，焊絲直徑，焊接位置，焊接電流越大，熔 敷速度越快，熔深越大，焊縫易燒穿，產(chǎn)生裂紋，工件變形大，殘余應(yīng)力，飛濺 多，焊接電流過小，易產(chǎn)生未焊透，未熔合，夾雜，成形不良。3.4.1 電弧電壓為保證焊縫成形良好，應(yīng)該選擇電弧電壓與焊接電流配合適當(dāng)。3.4.2 焊接電壓過高電弧穩(wěn)定差，飛濺大，焊絲爆斷，甚至無法焊接，焊接電壓過小，熔深淺， 熔寬窄小，余高H高，焊縫成形差。3.4.3

12、 焊接速度速度的快慢對(duì)焊縫的成形及焊接缺陷有重要的影響，焊接速度過快，出現(xiàn)咬邊，下陷，氣孔，未熔合，氣體保護(hù)效果差，焊接速度過慢，熔敷金屬堆積在電 弧下方，熔深小，產(chǎn)生焊縫不均，未熔合，未焊透。焊接速度對(duì)熔寬及熔深有明顯的影響， 在其他規(guī)范不變的條件下，焊接速度 增大時(shí)，電弧對(duì)母材的加熱減少，熔寬明顯減小。與此同時(shí)，電弧向后方排斥熔 池金屬的作用加強(qiáng)，電弧直接加熱熔池低部的母材，使熔深略為增加。當(dāng)焊接速 度提高到40米/時(shí)以上時(shí)，由于電弧對(duì)母材加熱量顯著減少，熔深隨焊接速度增 大而減小。焊接速度過高會(huì)造成咬邊、未焊透、焊縫粗糙不平等缺陷。降低焊接 速度，熔池體積增大而存在時(shí)間增長(zhǎng)，有利于氣體浮

13、出熔池，減小形成氣孔的傾 向。但焊接速度過低會(huì)形成易裂的 “蘑菇形”焊縫，或產(chǎn)生燒穿、夾渣、焊縫不 規(guī)則等缺陷。3.4.4 焊絲伸出長(zhǎng)度焊絲直徑1.2mni 一般伸出815 mmJ宜，伸出長(zhǎng)度過短，影響觀看熔池， 導(dǎo)電嘴易過熱夾住焊絲，電阻預(yù)熱作用小，電弧功率大，熔深大，飛濺少，伸出 長(zhǎng)度過長(zhǎng)，預(yù)熱作用強(qiáng)，電弧功率小，熔深小，飛濺大，保護(hù)效果差。3.4.5 焊槍傾斜角度一般與工件垂直，與焊縫之間的夾角為 6580 ,傾斜角度過大，氣體 保護(hù)效果差，容易產(chǎn)生氣孔。4焊接變形的預(yù)防與控制措施4.1 設(shè)計(jì)措施4.1.1 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

14、，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?，?yōu)化肋板數(shù)量，避免不必要的焊縫，以減少肋板數(shù)量來減少 焊接和矯正變形的工作量。4.1.2 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7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“

15、 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”形式或“十”字接頭，在保證強(qiáng)度的條件下，應(yīng)采用 開坡口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4-1低碳鋼最小焊腳尺寸（mm）板厚 15mm加熱點(diǎn)中心距為50 100mm2）線狀加熱法多用于矯正角變形、扭曲變形及筒體直徑過大或橢圓度。3）三角形加熱法多用于矯正彎曲變形。4.3.3 局部加熱矯正的注意事項(xiàng)矯正變形前應(yīng)認(rèn)真分析變形情況，制定矯正方案，確定加熱位置及矯正步 驟。認(rèn)真了解被矯正結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)。 焊接性好的材料，矯正后材料性能變化 小。對(duì)于已經(jīng)熱處理的高強(qiáng)度鋼，加熱溫度不應(yīng)超