焊接结构第二章 焊接应力与变形及其控制.ppt

2023/10/26,1,北京铁路局石家庄职工培训基地主讲：邢建章职称：工程师,第二章 焊接应力与变形及其控制,2023/10/26,2,第二章 焊接应力与变形及其控制,【能力目标】熟悉焊接应力与变形的概念、产生的原因、分布规律及控制措施，掌握简单的焊接变形的矫正方法。了解焊接结构脆性断裂和疲劳破坏的原因。【内容提示】结构件在焊接时，由于局部加热而造成温度分布不均匀，进而造成不均匀分布的塑性变形，最终导致焊件产生残余应力和变形。本章主要介绍焊接应力和变形的基本概念及产生的原因，焊接应力的分布规律，降低和消除焊接残余应力的方法，焊接变形的种类和控制焊接变形的措施，以及焊接结构的疲劳破坏和脆性断裂的有关知识。,2023/10/26,3,第一节 焊接应力与变形产生的原因,一、焊接应力与变形的基本知识,1应力 物体受外力作用或由其他因素引起的物体内部的相互作用力叫做内力。物体单位面积上的内力叫做应力。根据引起内力的原因不同，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；内应力是由于物体的化学成分、金相组织及温度等因素变化，造成物体内部不均匀性变形而引起的应力。内应力存在于许多工程结构中，如冲压结构、锻造结构、焊接结构等。,2023/10/26,4,2变形 物体在外力、温度等因素的作用下，其形状或尺寸发生变化称为物体的变形。变形分为弹性变形和塑性变形，当使物体产生变形的外力或其他因素消除后，变形也随之消失，物体能恢复原状，这样的变形称为弹性变形；当外力或其他因素消除后，变形的物体不能恢复原状，这样的变形称为塑性变形。,3焊接应力与焊接变形 焊接构件由焊接而产生的内应力叫焊接应力，焊接结束后残留在焊件中的焊接应力叫焊接残余应力。由焊接而引起的焊件形状或尺寸改变称为焊接变形。,2023/10/26,5,二、焊接应力与变形产生的原因,影响焊接应力与变形的因素很多，其中，最根本的原因是焊件受热不均匀，其次是由于焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件的刚度不同所致。另外，焊缝在焊接结构中的位置、装配一焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力与变形也有一定的影响，下面着重介绍几个主要因素。,1焊件的不均匀受热 焊接是一个局部加热的过程，焊件上温度分布极不均匀，为了便于了解不均匀受热时应力与变形的产生，下面对不同条件下的应力与变形进行讨论。,2023/10/26,6,(1)长板条中心加热(类似于堆焊)引起的应力与变形 如图2-l-la所示，长度为L。，厚度为的长板条，材料为低碳钢，在其中间沿长度方向进行加热，为简化讨论，将板条上的温度区分为两种，中间为高温区，其温度均匀一致；两侧为低温区，其温度也均匀一致。,图2-1-1 长板条中心加热和冷却时的应力与变形,加热时，如果板条的高温区与低温区是可分离的，高温区将伸长，低温区不变，如图2-l-lb所示。但实际上板条是一个整体，所以板条将整体伸长，此时高温区内产生较大的压缩塑性变形和压缩弹性变形，如图2-1-lc所示。,图2-1-1 长板条中心加热和冷却时的应力与变形,2023/10/26,8,冷却时，由于压缩塑性变形不可恢复，所以，如果高温区与低温区是可分离的，高温区应缩短，低温区应恢复原长，如图2-l-1d所示。因为板条是一个整体，所以板条将整体缩短，这就是板条的残余变形，如图2-1-le所示。同时，在板条内部也产生了残余应力，中间高温区为拉应力，两侧低温区为压应力。,图2-1-1 长板条中心加热和冷却时的应力与变形,a)原始状态 b)，c)加热时 d)，e)冷却时,图2-1-1 长板条中心加热和冷却时的应力与变形,2023/10/26,10,(2)长板条一侧加热(相当于板边堆焊)引起的应力与变形 如图2-1-2a所示，在一块材质均匀的钢板的上边缘快速加热。假设钢板由许多互不相连的窄板条组成，则各板条在加热时将根据温度高低而不同程度地伸长，,图2-1-2 钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形,如图2-l-2b所示。但实际上，钢板是一个整体，各板条之间是互相牵连、互相影响的，上部板条因受下部板条的阻碍作用而不能自由伸长，因此产生了压缩塑性变形。由于钢板的温度分布是自上而下逐渐降低的，因此，钢板产生向下的弯曲变形，如图2-1-2c所示。,图2-1-2 钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形,钢板冷却时，各板条若是分离的，收缩状态应如图2-l-2d所示。但钢板是一个整体，上部分板条要受到下部分板条的阻碍而不能自由收缩，所以钢板产生了与加热时相反的残余变形，如图2-l-2e所示。同时，在钢板内产生了残余应力，即钢板中部为压应力，钢板两侧为拉应力。,图2-1-2 钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形,2023/10/26,13,图2-1-2 钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形,a)原始状态 b)假设状态下各板条的伸长 c)加热后的实际变形与应力 d)假设状态下各板条的收缩 e)冷却后的实际变形与应力,由上述分析可知，对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，冷却后，构件必然有残余应力和残余变形。,2023/10/26,14,2焊缝金属的收缩 焊缝金属冷却时，当它由液态转为固态，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材金属是紧密联系的，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。另外，一条焊缝是逐步形成的，焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩，由此也会产生焊接应力与变形。,3金属组织的变化 钢在加热及冷却过程中发生相变，可得到不同的组织，这些组织的比容也不一样，由此也会产生焊接应力与变形。4焊件的刚性和拘束 焊件的刚性和拘束对焊接应力和变形也有较大的影响，刚性是指焊件抵抗变形的能力，而拘束是指焊件周围物体对焊件变形的约束。刚性是焊件本身的性能，它与焊件材质、焊件截面形状和尺寸等有关，而拘束是一种外部条件。拘束度是衡量焊接接头刚性大小的一个定量指标，焊件的拘束度越大，焊接变形越小，焊接应力越大；反之，焊件的拘束度越小，则焊接变形越大，而焊接应力越小。,2023/10/26,16,第二节 焊接残余应力及其控制,一、焊接残余应力的分类 1按产生应力的原因分类(1)热应力 热应力是指在焊接过程中，由焊件内部温度差异引起的应力，故又称温度应力，它随着温差消失而消失。热应力是引起热裂纹的主要原因之一。(2)相变应力 相变应力是指在焊接过程中局部金属发生相变，其密度增大或减小而引起的应力。,2023/10/26,17,(3)塑变应力 塑变应力是指局部金属发生拉伸或压缩塑性变形后所引起的内应力。对金属进行剪切、冲压、弯曲、切削、锻造等冷热加工时，都会产生这种内应力。焊接过程中，近缝高温区的金属热胀和冷缩受阻时，便产生塑性变形，从而引起塑变应力。,18,2按应力存在的时间分类(1)焊接瞬时应力 焊接瞬时应力是指在焊接过程中某一瞬时产生的焊接应力，它随时间而变化。焊接瞬时应力和焊接热应力没有本质区别，当温差也随时间而变化时，热应力也是瞬时应力。(2)焊接残余应力 焊接残余应力是焊接结束后残留在焊件内的应力，残余应力对焊接结构的强度、耐腐蚀性和尺寸稳定性等性能均有影响。,3按焊接残余应力在结构中的作用方向分类(1)单向应力 单向应力是指焊接应力在焊件中只沿一个方向产生，即焊件中的应力是单方向的，也称线应力，如薄板焊接和圆柱对接时。,(2)双向应力 双向应力是指焊接应力存在于焊件中一个平面的不同方向上，如薄板十字对接焊缝和较厚钢板对接时，焊件中的应力存在于一个平面上，也称为平面应力。,(3)体积应力 体积应力是指焊接应力在焊件中沿空间三个方向发生，也称三向应力，如厚板对接焊缝。,二、焊接残余应力的分布 在厚度小于20 mm的焊接结构中，残余应力基本是纵、横双向的，厚度方向的残余应力很小，可以忽略。只有在大厚度的焊接结构中，厚度方向的残余应力才有较高的数值。因此，这里将重点讨论纵向应力和横向应力的分布情况。,2023/10/26,22,1纵向残余应力 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。在焊接结构中，焊缝及其附近区域的纵向残余应力为拉应力，一般可达到材料的屈服点，随着与焊缝间距离的增大，拉应力急剧下降并转化为压应力。宽度相等的两板对接时，纵向残余应力 在焊件横截面上的分布情况如图2-2-1所示。,图2-2-1 纵向残余应力在焊件横截面上的分布情况,2023/10/26,23,2横向残余应力 的分布 作用方向垂直于焊缝轴线的残余应力称为横向残余应力。横向残余应力 的产生原因比较复杂，可将其分成两个部分加以讨论：一部分是由焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力，用 表示；另一部分是由焊缝及其附近塑性变形区横向收缩的不均匀性所引起的横向应力，用 表示。,2023/10/26,24,(1)纵向收缩引起的横向应力 如图2-2-2a所示是由两块平板条对接而成的焊件，如果假想沿焊缝中心将焊件一分为二，即两块板条都相当于板边堆焊，将出现如图2-2-2b所示的弯曲变形，要使两板条恢复到原来形状，必须在焊缝中部施加横向拉应力，在焊缝两端施加横向压应力。由此可以推断，焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力如图2-2-2c所示，其两端为压应力，中间为拉应力。,图2-2-2 纵向收缩引起的横向应力 的分布,2023/10/26,26,图2-2-3 不同焊接方向时 的分布,总之，横向应力的两个组成部分、同时存在，焊件中横向应力 是由、合成的，但它的大小要受屈服点 的限制。,三、焊接残余应力对焊接结构的影响 1对结构强度的影响 应力集中不严重的焊接结构，只要材料具有一定的塑性变形能力，焊接内应力并不影响结构的静载强度。但是，当材料为脆性状态时，则拉伸内应力和外力引起的拉应力叠加，有可能使局部区域的应力首先达到断裂极限，导致结构早期破坏。因此，焊接残余应力的存在将明显降低脆性材料结构的强度。,2对焊件加工尺寸精度的影响 在机械加工时，因一部分金属从焊件上被切除而破坏了内应力原来的平衡状态，于是内应力重新分布以达到新的平衡，同时产生了变形，于是加工精度受到影响。如图2-2-4所示为机械加工引起的内应力释放和变形。在T形焊件上加工平面时，当切削加工结束后松开加压板，工件会产生上挠变形，加工精度受到影响。为了保证加工精度，应对焊件先进行消除应力处理，再进行机械加工。也可采用多次分步加工的办法来释放焊件中的残余应力。,2023/10/26,29,图2-2-4 机械加工引起的内应力释放和变形,机械加工后，原内应力的平衡打破，工件将产生变形,3对受压杆件稳定性的影响 焊接工字梁或箱形梁时，腹板的中心部位存在较大的压应力，这种压应力的存在，往往会导致高大梁结构的局部或整体失稳，产生波浪变形。焊接残余应力除了对上述的结构强度、加工尺寸精度以及结构稳定性有影响外，还对结构刚度、疲劳强度等有不同程度的影响。因此，为了保证焊接结构具有良好的使用性能，必须设法在焊接过程中减小焊接残余应力，对某些重要的结构，焊后还必须采取消除焊接残余应力的措施。,四、控制焊接残余应力的措施 控制焊接残余应力，即在焊接结构制造过程中，采取一些适当的措施以减小焊接残余应力。一般可以从设计和工艺两方面着手：设计焊接结构时，在不影响结构使用性能的前提下，应尽量考虑采用能减小和改善焊接应力的设计方案；在制造过程中还要采取一些必要的工艺措施，以使焊接应力减小。,1设计措施(1)尽量减少结构上焊缝的数量和减小焊缝尺寸 多一条焊缝就多一处内应力源；过大的焊缝尺寸使焊接时受热区加大，残余应力与残余变形量明显增大。(2)避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够的距离 焊缝过分集中不仅使应力分布更不均匀，而且可能出现复杂的双向或多向应力状态。压力容器的设计在这方面要求严格，如图2-2-5所示。,图2-2-5 容器接管焊接,(3)采用刚度较小的接头形式 对于厚度大、刚度大的焊件，在不影响结构强度的前提下，可在焊缝附近进行局部加工，以降低焊件局部刚度，达到减小焊接残余应力的目的，如图2-2-6所示。,图2-2-6 减小接头刚度的措施,2工艺措施(1)采用合理的装配一焊接顺序和方向 所谓合理的装配一焊接顺序就是指能使每条焊缝尽可能自由收缩的焊接顺序。在确定焊接顺序时应注意以下几点：1)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比较自由。如图2-2-7所示的拼板焊接，合理的装配一焊接顺序是按图中的顺序施焊，即先焊相互错开的短焊缝，后焊直通长焊缝。,图2-2-7 拼板焊接合理的装配-焊接顺序,2)收缩量最大的焊缝应先焊。因为先焊的焊缝收缩时受阻力较小，因而残余应力就比较小。如图2-2-8所示为带盖板的双工字梁结构，应先焊盖板上的对接焊缝，后焊盖板与工字梁之间的角焊缝，原因是对接焊缝的收缩量比角焊缝的收缩量大。,图2-2-8 带盖板的双工字梁结构,3)工作时受力最大的焊缝应先焊。如图2-2-9所示的大型对接工字梁，应先焊受力最大的翼板对接焊缝，再焊腹板对接焊缝，最后焊预先留出来的一段角焊缝。,图2-2-9 大型对接工字梁,4)平面交叉焊缝焊接时，在焊缝的交叉点易产生较大的焊接应力。如图2-2-10所示为平面交叉焊缝，对这几种 T 形接头和十字接头，应采用如图2-2-10a，b，c所示的焊接顺序，才能避免在焊缝的交叉点产生裂纹及夹渣等缺陷。如图2-2-10d所示为不合理的焊接顺序。,a)b)，c)合理的焊接顺序 d)不合理的焊接顺序,图2-2-10 平面交叉焊缝,5)如图2-2-11所示为对接焊缝与角焊缝交叉焊接。对接焊缝的横向收缩量大，必须先焊，后焊角焊缝。反之，如果先焊角焊缝，则焊接对接焊缝时，其横向收缩受限制，极易产生裂纹。,图2-2-11 对接焊缝与角焊缝交叉焊接,(2)预热法 预热法是在施焊前，预先将焊件局部或整体加热到150650焊接或焊补淬硬倾向较大或脆性的材料，以及刚度较大的焊件时，常常采用预热法。预热温度视材料、结构刚度等具体情况而定。,(3)冷焊法 冷焊法是指焊接前或焊接过程中不加热的工艺。具体做法为：尽量采用小的热输入施焊，选用小直径焊条，进行小电流、快速焊及多层多道焊。另外，应用冷焊法时，外境温度应尽可能高。,(4)降低焊缝的拘束度 对于平板上镶板的封闭焊缝，焊接时拘束度大，焊后焊缝纵向和横向拉应力都较大，极易产生裂纹。为了降低残余应力，应设法减小该封闭焊缝的拘束度。如图2-2-12a所示，焊前对镶板的边缘适当翻边，做出反变形，焊接时翻边处拘束度减小。若镶板收缩余量预留得合适，焊后残余应力可减小，且镶板与平板平齐。如图2-2-12b所示为镶板,图2-2-12 降低局部刚度减小内应力,a)镶板的边缘少量翻边 b)镶板压凹,(5)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(称为“减应区”)，使之与焊接区同时膨胀或同时收缩，起到减小焊接应力的作用，此法称为加热“减应区”法。如图2-2-13所示为加热“减应区”法原理图，图中框架中心断裂，需要修复。若直接焊接断口处，焊缝横向收缩受阻，在焊缝中将产生相当大的横向应力。若焊前在构件两侧的减应区同时加热，两侧受热膨胀，使中心断口间隙增大。此时，对断口处进行焊接，焊后两侧也停止加热。于是焊缝和两侧加热区同时冷却收缩，互不阻碍，减小了焊接应力。,图2-2-13 加热“减应区”法原理图,a)加热过程 b)冷却过程,五、减小焊接残余应力的方法 虽然在焊件结构设计时考虑了残余应力的问题，在工艺上也采取了一定的措施来控制焊接残余应力，但由于焊接应力的复杂性，结构在焊接完以后仍然可能存在较大的残余应力。另外，有些结构在装配过程中还可能产生新的应力，这些焊接残余应力及装配应力都会影响结构的使用性能。焊后是否需要消除残余应力，通常由设计部门根据钢材的性能、板厚、结构的制造及使用条件等多种因素综合考虑后决定。常用的减小焊接残余应力的方法有热处理法、机械拉伸法、温差拉伸法、锤击焊缝法、振动法等。,1热处理法 热处理法是利用材料在高温下屈服点下降和蠕变的现象来达到松弛焊接残余应力的目的，同时还可改善焊接接头的性能。生产中常用的热处理法有整体热处理和局部热处理两种。(1)整体热处理 整体热处理是将整个构件缓慢加热到一定的温度(例如，低碳钢为600680，并在该温度下保温一定的时间(一般，每毫米板厚保温l2 min，但总时间不少于30 min，不高于3 h)，然后空冷或随炉冷却。整体热处理消除残余应力的效果取决于加热温度、加热方法、加热范围、保温时间、加热和冷却速度。一般可消除8090的残余应力，在生产中应用比较广泛。,2023/10/26,46,(2)局部热处理 对于某些不允许或不可能进行整体热处理的焊接结构，可采用局部热处理，局部热处理就是对构件焊缝周围应力较大的局部区域，缓慢加热到一定温度后保温，然后缓慢冷却，其消除应力的效果不如整体热处理，它只能减小残余应力，不能完全消除残余应力。对于一些大型筒形容器的组装环缝和一些重要管道等，常采用局部热处理来降低结构的残余应力。,2机械拉伸法 机械拉伸法是通过不同方式在构件上施加一定的拉伸应力，使焊缝及其附近区域产生拉伸塑性变形，与焊接时在焊缝及其附近区域所产生的压缩塑性变形相互抵消一部分，以达到松弛残余应力的目的。实践证明，拉伸载荷加得越大，压缩塑性变形量就抵消得越多，残余应力消除得越彻底。在压力容器制造的最后阶段，通常要进行水压试验，其目的之一也是利用加载来抵消部分残余应力。,3温差拉伸法 温差拉伸法的基本原理与机械拉伸法相同，不同的是机械拉伸法利用外力进行拉伸，而温差拉伸法是利用局部加热形成的温差来拉伸压缩塑性变形区。如图2-2-14所示为温差拉伸法示意图，在焊缝两侧各用一适当宽度(一般为100150 mm)的火焰加热焊件，将焊件表面加热到200左右，在焰嘴后面一定距离用水管喷头冷却，使焊缝两侧金属温度高，焊缝区温度低，两侧金属的热膨胀对中间温度较低的焊缝区进行拉伸，产生拉伸塑性变形抵消焊接时所产生的压缩塑性变形，从而达到消除残余应力的目的。如果加热温度和加热范围选择适当，可消除5070的应力。,图2-2-14 温差拉伸法示意图,4锤击焊缝法 在焊接后用锤子或一定直径的半球形风锤锤击焊缝，或边焊边锤击，可使焊缝金属产生延伸变形，抵消一部分压缩塑性变形，起到减小焊接应力的作用。锤击时应注意力度，以免施力过大而产生裂纹。锤击用的锤子质量一般约为05 kg，锤的尖端带有R5 mm的圆角，锤击时温度应在300以上或100150的范围内，应避开200300温度区，多层焊时，除第一层和最后一层外，每层都要锤击。,5振动法 振动法又称振动时效或振动消除应力法。它是利用由偏心轮和变速电动机组成的激振器，使结构发生振动，产生循环应力来降低内应力。振动法所用设备简单、价廉，节省能源，处理费用低，时间短，没有高温热处理造成的金属表面氧化等问题，故目前在焊接、铸造、锻造中，为了提高制件尺寸稳定性较多地采用此法。,第三节 焊接残余变形及其控制,一、焊接变形的种类及其影响因素 焊接变形在焊接结构中的分布是很复杂的。根据变形对整个焊接结构的影响程度，可将焊接变形分为局部变形和整体变形；根据变形的外观形态，可将焊接变形分为收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形五种基本形式，如图2-3-1所示。这些基本形式的不同组合，形成了实际生产中焊件的复杂变形。下面将分别讨论各种变形的形成规律和影响因素,图2-3-1 焊接变形的基本形式,a)收缩变形 b)角变形 c)弯曲变形 d)波浪变形 e)扭曲变形,1收缩变形 焊件尺寸比焊前缩短的现象称为收缩变形，分为纵向收缩变形和横向收缩变形，如图2-3-2所示。(1)纵向收缩变形 纵向收缩变形即沿焊缝轴线方向尺寸缩短。这是由于焊缝及其附近区域在焊接高温的作用下产生纵向的塑性变形，焊后这个区域要收缩，便引起了焊件的纵向收缩变形。纵向收缩变形量缸取决于焊缝长度、焊件截面积、材料的弹性模量、压缩塑性变形区的面积以及压缩塑性变形率等。焊件截面积越大，焊件的纵向收缩量越小；焊缝的长度越大，纵向收缩量越大。从这个角度考虑，在受力不大的焊接结构内，采用断续焊缝代替连续焊缝，是减小焊件纵向收缩变形的有效措施。,2023/10/26,55,(2)横向收缩变形 横向收缩变形即沿垂直于焊缝轴线方向尺寸缩短。构件焊接时，不仅产生纵向收缩变形，同时也产生横向收缩变形，如图2-3-2中的y。产生横向收缩变形的过程比较复杂，影响因素很多，如热输入、接头形式、装配间隙、焊件厚度、焊接方法，以及焊件的刚度等，其中，以热输入、装配间隙、接头形式等因素的影响最为明显。,图2-3-2 收缩变形,a)对接焊缝 b)角焊缝,不论何种接头形式，其横向收缩变形量总是随焊接热输入增大而增大的。装配问隙对横向收缩变形量的影响也较大，且情况复杂。一般来说，随着装配问隙的增大，横向收缩变形量也增大。对于相同厚度的钢板，坡口角度越大，横向收缩变形量越大。另外，横向收缩变形量沿焊缝长度方向分布不均匀，因为一条焊缝是逐步形成的，先焊的焊缝冷却收缩对后焊的焊缝有一定挤压作用，使后焊的焊缝横向收缩变形量更大。一般情况下，焊缝的横向收缩变形量沿焊接方向由小到大，逐渐增大到一定程度后便趋于稳定。因此，生产中常将一条焊缝的两端头间隙取不同值，后半部分比前半部分要大13 mm。横向收缩变形量的大小还与装配时的定位焊和装夹情况有关，定位焊焊缝越长，装夹的拘束度越大，横向收缩变形量就越小。,2角变形 中厚板对接焊、堆焊、搭接焊及T形接头焊接时，都可能产生角变形，角变形产生的根本原因是焊缝的横向收缩变形沿板厚分布不均匀，角变形的大小用角度表示。焊缝接头形式不同，其角变形的特点也不同。如图2-3-3所示为焊接接头的角变形。,图2-3-3 焊接接头的角变形,a)堆焊 b)对接接头 c)T形接头,对接接头角变形主要与坡口形式、坡口角度、焊接方式等有关。坡口截面不对称的焊缝，其角变形大，因而用 X 形坡口代替 V 形坡口，有利于减小角变形；坡口角度越大，焊缝横向收缩变形沿板厚分布得越不均匀，角变形越大，在同样板厚和坡口形式的条件下，多层焊比单层焊角变形大，焊接层数越多，角变形越大，多层多道焊比多层焊角变形大。,T形接头(见图2-3-4a)角变形可以看成是由立板相对于水平板的回转与水平板本身的角变形两部分组成。T 形接头不开坡口焊接时，其立板相对于水平板的回转相当于坡口角度为 90的对接接头角变形，如图2-3-4b所示；水平板本身的角变形相当于水平板上堆焊引起的角变形，如图2-3-4c所示。,图2-3-4 T 形接头的角变形,这两种角变形综合的结果是使 T 形接头两板间的角度发生如图2-3-4d所示的变化。为了减小 T 形接头角变形，可通过开坡口来减小立板与水平板间的焊缝夹角，减小值；还可以通过减小焊脚尺寸来减少焊缝金属量，减小值。,图2-3-4 T 形接头的角变形,3弯曲变形 弯曲变形是由于焊缝的中心线与结构截面的中性轴不重合或不对称、焊缝的收缩沿焊件宽度方向分布不均匀而引起的，弯曲变形的大小用挠度 f 表示。弯曲变形分为两种，焊缝纵向收缩引起的弯曲变形和焊缝横向收缩引起的弯曲变形。,(1)焊缝纵向收缩引起的弯曲变形 如图2-3-5所示为不对称布置焊缝的纵向收缩所引起的弯曲变形。弯曲变形挠度 f 的大小与焊缝在结构中的偏心距 s 及假想偏心力 FP 成正比，与焊件的刚度成反比。而假想偏心力又与压缩塑性变形有关，凡影响压缩塑性变形的因素均影响偏心力 FP 的大小。偏心距 s 越大，弯曲变形越严重。焊缝位置对称或接近于截面中性轴时，则弯曲变形就比较小。,图2-3-5 不对称布置焊缝的纵向收缩所引起的弯曲变形,L-焊件长度-焊件厚度 b-焊件宽度 S-偏心距 f-挠度 FP-假想偏心力,(2)焊缝横向收缩引起的弯曲变形 焊缝的横向收缩在结构上分布不对称时，也会引起焊件的弯曲变形。如工字梁上布置若干短肋板(见图2-3-6)，由于肋板与腹板、肋板与上翼板的角焊缝均分布于结构中性轴的上部，它们的横向收缩将引起工字梁的下挠变形。,图2-3-6 焊缝的横向收缩引起的弯曲变形,4波浪变形 波浪变形常发生于板厚小于6 mm的薄板焊接过程中，又称为失稳变形。大面积平板拼接，如船体甲板、大型油罐底板等，极易产生波浪变形。防止波浪变形可从两方面着手：一是减小焊接残余压应力，如采用能使塑性变形区较小的焊接方法，选用较小的焊接热输入等；二是提高焊件失稳临界应力，如给焊件增加肋板，适当增加焊件的厚度等。焊接角变形也可能产生类似的波浪变形，如图2-3-7所示，采用大量肋板的结构，每块肋板的角焊缝引起的角变形，连贯起来就形成波浪变形。,图2-3-7 焊接角变形引起的波浪变形,5扭曲变形 产生扭曲变形的原因主要是焊缝角变形沿焊缝长度方向分布不均匀。如图2-3-8所示的工字梁，若按图示的顺序和方向焊接，则会产生图示的扭曲变形，这主要是角变形沿焊缝长度方向逐渐增大的结果。如果改变焊接顺序和方向，使两条相邻的焊缝同时向同一方向焊接，就可以克服这种扭曲变形。,图2-3-8 工字梁的扭曲变形,以上五种变形是焊接变形的基本形式，在这五种变形中，最基本的形式是收缩变形，收缩变形再加上不同的影响因素，就形成了其他四种变形形式。焊接结构的变形对其生产有极大的影响。首先，零件或部件的焊接变形，将给装配带来困难，进而影响后续焊接作业的质量；其次，对过大的焊接变形还要进行矫正，增加了结构的制造成本；再次，焊接变形也会降低焊接接头的性能和承载能力。因此，实际生产中，必须设法控制焊接变形，把变形控制在技术要求所允许的范围之内。,二、控制焊接变形的措施,从焊接结构的设计阶段开始，就应考虑控制变形可采取的措施。进入生产阶段，可采取预防焊接变形的措施，以及在焊接过程中，可采取相应的工艺措施。,1设计措施(1)选择合理的焊缝形状和尺寸 1)选择最小的焊缝尺寸。在保证结构有足够承载能力的前提下，应尽量采用较小的焊缝尺寸。尤其是角焊缝的尺寸，最容易盲目加大。焊接结构中有些仅起联系作用或受力不大的角焊缝，并经强度计算其尺寸很小，这时应按板厚尽可能地选取工艺上的最小尺寸。对受力较大的 T 形或十字接头，在保证强度相同的前提下，可采用开坡口的焊缝，与不开坡口而采用一般角焊缝相比，可减少焊缝金属，对减小角变形有利，如图2-3-9所示。,图2-3-9 相同承载能力的十字接头,a)不开坡口 b)开坡口,2)选择合理的坡口形式。相同厚度的平板对接，单面 V 形坡口的角变形大于双面 V 形坡口。因此，对于可翻转焊接的结构，宜选用两面对称的坡口形式。T 形接头立板端开半边 U 形(J形)坡口比开半边V 形坡口角变形小，如图2-3-10所示。,图2-3-10 T形接头的坡口,a)角变形大 b)角变形小,（2）减少焊缝数量 在条件允许的情况下，多采用型材、冲压件；焊缝多且密集处，可以采用铸-焊联合结构，以减少焊缝数量。此外，适当增加壁板厚度以减少肋板数量，或者采用压型结构代替肋板结构，都对防止薄板结构变形有利。,(3)合理安排焊缝位置 梁、柱等焊接构件，常因焊缝偏心配置而产生弯曲变形。合理的设计是尽量把焊缝安排在结构截面的中性轴上或靠近中性轴，力求中性轴两侧的变形大小相等、方向相反，起到相互抵消作用。如图2-3-11所示为箱形结构的焊缝位置，图2-3-11a中焊缝集中于中性轴一侧，弯曲变形大，图2-3-llb的焊缝安排合理。,图2-3-11 箱形结构的焊缝位置,a)不合理 b)合理,如图2-3-12a所示的肋板设计，使焊缝集中在截面的中性轴下方，肋板焊缝的横向收缩集中在下方，将引起上拱的弯曲变形。改成如图2-3-12b所示的设计，就能减小或防止这种变形。,图2-3-12 合理安排焊缝位置防止变形,a)不合理 b)合理,2工艺措施(1)留余量法 此法就是在下料时将零件的长度或宽度尺寸按设计尺寸适当加大，留出余量以补偿焊件的收缩，余量的大小可根据公式并结合生产经验来确定。留余量法主要适用于防止焊件的收缩变形。,(2)反变形法 此法就是根据焊件的变形规律，焊前预先将焊件向着与焊接变形相反的方向人为地进行变形(反变形量与焊接变形量相等)，使之达到相互抵消的目的。此法对控制焊接变形很有效，但必须准确地估计焊后可能的变形方向和变形量，可根据焊件的结构特点和生产条件灵活运用。,反变形法主要用于控制角变形和弯曲变形，如图2-3-l3所示，V 形坡口单面对接焊时，可利用反变形法防止角变形，图2-3-13a所示是不采取反变形的情况，焊后构件将发生角变形；图2-3-13b所示是焊前预先将坡口处垫起，形成反变形，然后再焊接，焊后构件达到基本平直。,图2-3-13 V形坡口单面对接焊时的反变形法,a)不采取反变形 b)采取反变形,(3)刚性固定法 采用适当办法来增加焊件的拘束度，以达到减小其变形的目的，这就是刚性固定法。然而，刚性固定法会增大接头中的残余应力，对于一些焊后易裂的材料应慎用。常用的刚性固定法有以下几种：,1)将焊件固定在刚性平台上。薄板焊接时，可用定位焊将其固定在刚性平台上，并且用压铁压住焊缝附近区域，如图2-3-14所示，待焊缝全部焊完冷却后，再铲除定位焊缝，这样可减小薄板焊接时产生的波浪蛮形。,图2-3-14 薄板拼按时的刚性固定,1-平台 2-焊件 3-压铁 4-定位焊缝,2)将焊件组合成拘束度更大的或对称的结构。T形梁焊接时容易产生角变形和弯曲变形，如图2-3-15所示，将两根T形梁组合在一起，使焊缝对称于结构截面的中性轴，同时大大地增加了结构的刚度，并配合反变形法(如图2-3-15中所示采用垫铁)，采用合理的焊接顺序，以防止弯曲变形和角变形。,图2-3-15 T形梁的刚性固定与反变形,3)利用焊接夹具增加结构的拘束度。如图2-3-l6所示为利用夹紧器将焊件固定，以增大焊件的枸束度，防止构件产生角变形和弯曲变形的应用实例。,图2-3-16 对接焊时的刚性固定,4)利用临时支撑增大结构的拘束度。单件生产中采用专用夹具，在经济效益方面不合理。因此，可在容易发生变形的部位焊上一些临时支撑或拉杆，增加局部刚度，以有效地减小焊接变形。如图2-3-17所示是防护罩焊接时的临时支撑。,图2-3-17 防护罩焊接时的临时支撑,1-底板 2-立板 3-缘口板 4-临时支撑,(4)选择合理的装配-焊接顺序 装配-焊接顺序对焊接结构变形的影响很大。因此，在无法使用焊接胎夹具的情况下施焊，一般都须选择合理的装配-焊接顺序，使焊接变形减至最小。为了控制和减小焊接变形，装配-焊接顺序应符合以下原则：,1)化整为零，分步施焊。大型而复杂的焊接结构，若条件允许，可把它分成若干个结构简单的部件，单独进行焊接，然后再总装成整体。这种“化整为零，集零为整”的装配一焊接方案，其优点是：部件的尺寸和刚度已减小，利用焊接胎夹具克服变形的可能性增加；交叉对称施焊所要求的焊件翻转与变位也变得容易；更重要的是，可以把对总体结构变形影响最大的焊缝分散到部件中焊接，把它的不利影响减小或消除。应当注意的是，所划分的部件应易于控制焊接变形，部件总装时焊接量少，同时也便于控制总变形。,2)对称结构的合理施焊。正在施焊的焊缝应尽量靠近结构截面的中性轴。如图2-3-18a所示为桥式起重机的主梁结构，梁的大部分焊缝处于箱形梁的上半部分，其横向收缩会引起梁的下挠弯曲变形，而该梁的制造技术中要求箱形主梁具有一定的上挠度，为了解决这一矛盾，除了将左右腹板预制上挠度外，还应选择最佳的装配一焊接顺序，使下挠的弯曲变形最小。,图2-3-18 桥式起重机主梁的装配-焊接,a)桥式起重机的主梁结构 b)形梁的装配-焊接方案 1，2-腹板 3-上盖板 4-大肋板 5-小肋板,根据该梁的结构特点，一般先将上盖板与两腹板装成形梁，最后装下盖板，组成封闭的箱形梁。形梁的装配-焊接顺序是影响主梁上挠度的关键因素，应先将各长、短肋板与上盖板装配，焊接焊缝 A，然后，同时装配两块腹板，焊接焊缝 B 和 C。这时，产生的下挠弯曲变形最小。因为形梁产生下挠弯曲变形的主要原因是焊缝 A 的收缩，焊缝 A 离形梁截面中性轴越近，引起的弯曲变形越小。该方案中，在装配腹板之前焊接焊缝A，结构中性轴最低，因为焊缝 A 距梁的截面中性轴最近，引起的下挠弯曲变形最小。因此，该方案是最佳的装配一焊接顺序，也是目前类似结构在实际生产中广泛采用的一种方案。,图2-3-18 桥式起重机主梁的装配-焊接,a)桥式起重机的主梁结构 b)形梁的装配-焊接方案 1，2-腹板 3-上盖板 4-大肋板 5-小肋板,3)非对称结构的合理施焊。对于焊缝非对称布置的结构，装配一焊接时应先焊焊缝少的一侧。如图2-3-19a 所示的压力机压型上模，截面中性轴以上的焊缝多于中性轴以下的焊缝，装配-焊接顺序不合理，最终将产生下挠弯曲变形。解决的办法是先由两人对称地焊接焊缝1和1(见图2-3-19b)，此时，将产生较大的上挠弯曲变形(变形量为 f1)，并增大了结构的刚度；再按如图2-3-19c 所示的位置焊接焊缝2和2，产生下挠弯曲变形(变形量为 f2)；最后，按如图2-3-19d 所示的位置焊接焊缝3和3，产生下挠弯曲变形(变形量为f3)。这样,f1 f2+f3，由于方向相反，弯曲变形基本相互抵消。,图2-3-19 压力机压型上模的装配-焊接,a)压力机压型上模 b)，c)，d)焊接顺序,4)对称焊缝的合理施焊。焊缝对称布置的结构，应由偶数个焊工对称地施焊，如图2-3-20所示为圆筒体对接焊缝焊接顺序，此圆筒体应由2名或4名焊工对称施焊。,图2-3-20 圆筒体对接焊缝焊接顺序,5)长焊缝的合理施焊。1 m以上长焊缝可采用如图2-3-21所示的顺序和方向进行焊接，以减小焊接后的收缩变形，优先选择图2-3-21a，b所示的施焊顺序，在实际生产中图2-3-21 b所示的焊接顺序用得较多。,图2-3-21 长焊缝的焊接顺序和方向,(5)选择合理的焊接方法和焊接参数 由于各种焊接方法的热输入不相同，因而产生的变形也不一样，能量集中和热输入较低的焊接方法可有效地减小焊接变形。在常用的焊接方法中，焊接变形由大到小的顺序为：气焊、电渣焊、埋弧焊、焊条电弧焊、气体保护焊等。采用C02气体保护焊焊接中厚钢板的变形比气焊和焊条电弧焊小得多，更薄的板可以采用脉冲钨极氩弧焊、激光焊等方法焊接。电子束焊的焊缝很窄，变形极小，一般用于经精加工的工件，焊后仍具有较高的精度。,焊接热输入是影响变形量的关键因素，当焊接方法确定后，可通过调节焊接参数来控制热输入。在保证熔透和焊缝无缺陷的前提下，应尽量采用小的焊接热输入。根据焊件结构特点，可以灵活地运用热输入影响变形的规律，去控制变形。如图2-3-22所示的不对称截面梁，因焊缝，离结构截面中性轴的距离s 大于焊缝，到中性轴的距离s，所以焊后会产生下挠弯曲变形。如果在焊接焊缝，时，采用多层焊，每层选择较小的热输入；焊接焊缝，时，采用单层焊，选择较大的热输入，这样焊接焊缝，时所产生的下挠变形与焊接焊缝，时所产生的上挠变形基本相互抵消，焊后构件基本平直。,图2-3-22 不对称截面梁,(6)热平衡法 对于某些焊缝不对称的结构，焊后往往会产生弯曲变形。如果在与焊缝对称的位置上采用气体火焰加热与焊接同步进行，只要加热的工艺参数选择适当，就可以减小或防止焊件的弯曲变形。如图2-3-13所示，采用热平衡法对箱形结构的焊接变形进行控制。,图2-3-23 采用热平衡法防止焊接变形,(7)散热法 散热法就是利用各种办法将施焊处的热量迅速散走，使受热区的温度大大降低，达到减小焊接变形的目的。如图2-3-24a所示是水浸散热法，如图2-3-24b所示是喷水散热法，如图2-3-24c所示是采用纯铜板中钻孔通水的散热垫散热法。,图2-3-24 散热法示意图,a)水浸散热法 b)喷水散热法 c)散热垫散热法1，6-焊件 2-水槽 3-支撑架 4-焊炬 5-喷水管 7，8-纯铜板,以上所述为控制焊接变形的常用方法。在焊接结构的实际生产过程中，应充分估计各种变形，分析各种变形的规律，根据现场条件选用一种或几种方法，有效地控制焊接变形。,三、焊接变形的矫正方法 在焊接结构生产中，首先应采取各种措施防止和控制焊接变形。但是焊接变形是难以避免的，因为影响焊接变形的因