焊接变形控制技术要点.pdf

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1、钢结构制造事业部 焊接变形控制工艺 编制： 校对： 审核： 批准： 重庆建工工业有限公司 钢结构事业部 2015年 6月 11日 1 1 焊接应力 2 1.1 焊接应力的种类 2 2 焊接变形 2 2.1 焊接变形发生的原因 2 2.2 焊接变形的主要形式 2 3 焊接变形的影响因素 3 3.1 材料因素的影响 3 3.2 结构设计因素的影响 3 3.3 焊接工艺的影响 3 3.3.1焊接方法的影响 . 3 3.3.2焊接接头形式的影响 . 3 3.3.3焊接层数的影响 . 4 3.4 焊接参数的影响 4 3.4.1电弧电压 . 4 3.4.2焊接电压过高 . 4 3.4.3焊接速度 . 4

2、3.4.4焊丝伸出长度 . 4 3.4.5焊枪倾斜角度 . 4 4 焊接变形的预防与控制措施 5 4.1 设计措施 5 4.4.1尽量减少焊缝数量 . 5 4.4.2合理地选择焊接的尺寸和形式. 5 4.4.3合理设计结构形式及合理安排焊缝位置. 5 4.2 工艺措施 5 4.2.1焊前预防措施 . 5 4.2.2焊接过程控制措施 . 6 4.3 焊后矫正措施 6 4.3.1机械矫正 . 6 4.3.2加热矫正 . 6 2 1 焊接应力 焊接时，由于焊缝局部加热到高温状态，焊件温度均匀不分布， 造成钢结构 不均匀冷却收缩而产生变形。 其次，在焊接时， 由于不同焊接热循环作用引起金 相组织发生转

3、变， 随之而出现体积的变化， 当体积变化受到周围金属阻碍时便产 生了应力，从而出现整体变形。 焊接变形分为局部变形和整体变形。局部变形指焊接结构的某部分发生变 形，在焊接中易于矫正； 整体变形指整个结构的形状或尺寸发生变化，是由于焊 接在各个方向上收缩不均所引起的，这在焊接中尤为重要， 一般不允许发生整体 变形。焊接变形产生的原因很多， 不均匀的局部加热和冷却是最主要原因。焊接 时，焊件局部加热到熔化状态， 形成了温度不均匀分布区， 使焊接出现不均匀的 热膨胀，热膨胀受到周围金属的阻碍不能自由膨胀而受到压应力，周围的金属则 受到拉应力。 当被加热金属受到的压应力超过屈服点时，就会产生塑性变形；

4、 焊 接冷却时， 由于加热的金属在加热时已产生了压缩的塑性变形，所以，最后的长 度要比未被加热金属的长度短些，从而产生变形。 1.1 焊接应力的种类 1.1.1 热应力：又称温度应力。它是在不均匀加热及冷却过程中所产生的应力， 它与加热温度和加热不均匀程度、 焊件的钢度以及焊件材料的热物理性能等因素 有关。 1.1.2 相变应力：金属发生相变时，由于体积发生变化而引起的应力。 1.1.3 装配应力：在装配和安装过程中产生的应力。 1.1.4 残余应力：当构件上承受局部荷载或经受不均匀加热时，都会在局部地区 产生塑性应变。 当局部外载撤去后或热源离去， 构件温度恢复到原始的均匀状态 时，由于构件

5、内部发生了不能恢复的塑性变形，因而产生了内应力， 即残余应力。 残留下来的变形即残余变形。 焊接过程中焊件的热应力是随时间而变化的瞬时应力，焊后残余下来， 即为 残余应力。 2 焊接变形 2.1 焊接变形发生的原因 钢材的焊接通常采用熔化焊方法, 把焊接局部连接处加热至溶化状态形成熔 池, 待其冷却结晶后形成焊缝, 使原来分开的钢材连接成整体。 由于焊接加热时还 焊接接头局部加热不均匀, 金属冷却后沿焊缝纵向收缩时受到焊件低温部分的阻 碍，使焊缝及其附近区域受拉应力，远离焊缝区域受压应力。因加热、冷却这种 热变化在局部范围急速地进行, 膨胀和收缩变形均受到拘束而产生塑性变形，焊 接完成并冷却至

6、常温后该塑性变形残留下来，焊接变形因此产生。 2.2 焊接变形的主要形式 焊接变形主要有收缩变形、 角变形、 弯曲变形、 扭曲变形和破浪变形五种基 本形式。其成因如下： 收缩变形是由于焊缝的纵向（沿焊缝方向）和横向（垂直焊缝方向）收缩引 起的 角变形由于 V型坡口对接焊焊缝布置不对称， 造成焊缝上下横向收缩量不均 匀而引起的变形 3 弯曲变形 T 型梁焊接后， 由于焊缝布置不对称， 焊缝多的一面收缩量大， 引 起的工件弯曲 扭曲变形由于焊接过程中焊接顺序和焊接方向不合理引起的工件扭曲，又称 为螺旋形变形，多出现在工字梁的焊接加工过程中 波浪变形这种变形易发生在波板焊接过程中。是由于焊缝收缩使薄

7、板局部引 起较大的压应力而失去稳定性，焊后使构件成波浪形。 错边变形焊接过程中， 由于两块板材的热膨胀不一致， 可能引起长度方向或 厚度方向上的错边。 3 焊接变形的影响因素 焊接变形可以分为在焊接热过程中发生的瞬态热变形和在室温条件下的残 余变形。影响焊接变形的因素很多, 但归纳起来主要有材料性能、设计结构和焊 接工艺三个方面。 3.1 材料因素的影响 金属的焊接是金属的一种加工性能，接变形的影响不仅和焊接材料有关, 而 且和母材也有关系 , 它决定于金属材料的本身性质和加工条件。金属的化学成分 不同，其焊接性也不同。 碳的影响最大， 其它合金元素可以换算成碳的相当含量 来估算它们对焊接性的

8、影响。 当 CE 0.4%时，钢材焊接性良好，冷裂纹倾向小，焊接时一般不需加热； 当 CE=0.40.6 时，焊接性较差， 冷冽倾向明显， 焊接时需预热并采取其它工艺 措施；CE 0.6 时，焊接性差，冷冽倾向严重，焊接时需要较高预热温度和严格 的工艺措施。 3.2 结构设计因素的影响 焊接结构的设计对焊接变形的影响最关键, 也是最复杂的因素。虽然焊接工 件随拘束度的增加 , 焊接残余应力增加 , 焊接变形相应减少， 但在焊接变形过程中 , 工件本身的拘束度是不断变化着的， 复杂结构自身的拘束作用在焊接过程中占据 主导地位 , 而结构本身在焊接过程中的拘束度变化情况随结构复杂程度的增加而 增加

9、。在设计焊接结构时 , 常需要采用筋板或加强板来提高结构的稳定性和刚性, 这样做不但增加了装配和焊接工作量, 而且给焊接变形分析与控制带来了一定的 难度。因此 , 在结构设计时针对结构板的厚度及筋板或加强筋的位置数量等进行 优化, 对减小焊接变形有着十分重要的作用。 3.3 焊接工艺的影响 3.3.1焊接方法的影响 熔焊使焊缝及其附近的母材经历了一个加热和冷却的热过程，由于温度分度 不均匀，焊缝受到一次复杂的冶金过程，焊缝周围受到一次不同规范的热处理， 引起相应的组织和性能的变化，直接影响焊缝质量。 在金属结构焊接常用的焊接方法有埋弧焊，手工焊和 CO2 气体保护焊等， 各 种焊接方法的热输入

10、差别较大，其中埋弧焊热输入最大， 收缩变形最大， 手工电 弧焊居中， CO2 气体保护焊最小。一般情况下，焊接热输入大时，加热的高温区 范围大，冷却速度慢，接头塑性变形区增大。 3.3.2焊接接头形式的影响 表面堆焊时， 焊缝金属的横向变形不但受到纵横向母材的约束，而且加热只 限于工件表面一定深度而使焊缝的收缩同时受到板厚、深度、母材方面的约束， 4 因此，变形相对较小。 T形角接接头和搭接接头时，其焊缝横向收缩情况与堆焊相似，其横向收缩 值与角焊缝面积成正比，与板厚成反比。 对接接头在单道 ( 层) 焊的情况下，其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大，在单面 焊时坡口角度大，板厚上、下收缩量差别大，因

11、而角变形较大。 双面焊时情况有所不同， 随着坡口角度和间隙的减小，横向收缩减小， 同时 角变形也减小。 3.3.3焊接层数的影响 横向收缩：在对接接头多层焊接时， 第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一 般条件和变形规律， 第一层以后相当于无间隙对接焊，接近于盖面焊道时与堆焊 的条件和变形规律相似，因此，收缩变形相对较小。 纵向收缩：多层焊接时， 每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入 小得多，加热范围窄，冷却快，产生的收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成后都 对下层焊缝形成约束， 因此，多层焊时的纵向收缩变形比单层焊时小得多，而且 焊的层数越多，纵向变形越小。 3.4 焊接参数的影响 焊接电流

12、的选择根据材料，板厚，焊丝直径，焊接位置，焊接电流越大，熔 敷速度越快，熔深越大，焊缝易烧穿，产生裂纹，工件变形大，残余应力，飞溅 多，焊接电流过小，易产生未焊透，未熔合，夹杂，成形不良。 3.4.1电弧电压 为保证焊缝成形良好，应该选择电弧电压与焊接电流配合适当。 3.4.2焊接电压过高 电弧稳定差，飞溅大，焊丝爆断，甚至无法焊接，焊接电压过小，熔深浅， 熔宽窄小，余高 H高，焊缝成形差。 3.4.3焊接速度 速度的快慢对焊缝的成形及焊接缺陷有重要的影响，焊接速度过快， 出现咬 边，下陷，气孔，未熔合，气体保护效果差，焊接速度过慢，熔敷金属堆积在电 弧下方，熔深小，产生焊缝不均，未熔合，未焊

13、透。 焊接速度对熔宽及熔深有明显的影响，在其他规范不变的条件下， 焊接速度 增大时，电弧对母材的加热减少，熔宽明显减小。与此同时，电弧向后方排斥熔 池金属的作用加强， 电弧直接加热熔池低部的母材，使熔深略为增加。 当焊接速 度提高到 40 米/ 时以上时，由于电弧对母材加热量显著减少，熔深随焊接速度增 大而减小。焊接速度过高会造成咬边、未焊透、焊缝粗糙不平等缺陷。降低焊接 速度，熔池体积增大而存在时间增长，有利于气体浮出熔池， 减小形成气孔的倾 向。但焊接速度过低会形成易裂的“蘑菇形 ”焊缝，或产生烧穿、夹渣、焊缝不 规则等缺陷。 3.4.4焊丝伸出长度 焊丝直径 1.2mm ，一般伸出 81

14、5 mm 为宜，伸出长度过短，影响观看熔池， 导电嘴易过热夹住焊丝，电阻预热作用小，电弧功率大，熔深大，飞溅少，伸出 长度过长，预热作用强，电弧功率小，熔深小，飞溅大，保护效果差。 3.4.5焊枪倾斜角度 一般与工件垂直，与焊缝之间的夹角为6580，倾斜角度过大，气体 保护效果差 , 容易产生气孔。 5 4 焊接变形的预防与控制措施 4.1 设计措施 4.4.1尽量减少焊缝数量 焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。坡口尺寸越大，焊缝面积越大， 冷却时收缩引起的塑性变形量越大，收缩变形越大。 在设计焊接结构时， 应当避 免不必要的焊缝，尽量选用型钢、冲压件代替焊件。合理地选择肋板的形状, 适

15、当地安排肋板的位置 , 优化肋板数量，避免不必要的焊缝 , 以减少肋板数量来减少 焊接和矫正变形的工作量。 4.4.2合理地选择焊接的尺寸和形式 焊接尺寸直接关系到焊接工作量和焊接变形的大小。焊缝尺寸大 , 焊接量大 , 焊接变形就大。因此 , 要尽量减少焊缝的数量和尺寸，在保证结构的承载能力的 条件下 , 设计时应尽量尽可能采用较小的坡口尺寸，减小焊缝截面积，对于板缝 较大的对接接头应选“ X”型坡口代替“ V”型坡口，减少熔敷金属总量以减少变 形。 对于不需要进行强度计算的“T”型接头，应选用工艺上合理的最小焊脚尺 寸，采用断续焊缝比采用连续焊缝更能减少变形。 当设计计算确定“ T”接头角

16、焊缝时，应采用连续焊缝，不应采用与之等强 的断续焊缝， 并应采用双面连续焊缝代替等强度的单面连续焊缝，以减少焊角尺 寸。 对于受力较大的“ T”形式或“十”字接头，在保证强度的条件下，应采用 开坡口的角焊缝比一般角焊缝可大大减少焊缝金属，减少焊接变形量。 表 4-1 低碳钢最小焊脚尺寸（mm） 板厚6 718 1930 3150 51100 最小焊脚尺寸3 4 6 8 10 4.4.3合理设计结构形式及合理安排焊缝位置 设计结构时应考虑焊接工作量最小，以及部件总装时的焊接变形量最小。薄 板结构应选合适的板厚，减少骨架间距及焊角尺寸，以减少波浪变形。此外，还 应避免设计曲线形结构。 由于焊缝横向

17、收缩通常比纵向收缩显著，因此应尽量将焊缝布置在平行于焊 接变形量最小的方向，焊缝位置应尽量对称于截面中心线（或轴线），或者使焊 缝接近中心线线（或轴线），这对于减少梁、柱等类型结构的扭曲曲变形有良好 的效果。 4.2 工艺措施 工艺措施是指在焊接构件生产制造过程中所采用的一系列措施, 将其分为焊 前预防措施、焊接过程中的控制措施和焊后矫正措施。 4.2.1焊前预防措施 焊接应力的控制措施主要包括反变形法、加裕量法、刚性固定法和预拉伸法。 反变形法是根据预测的焊接变形大小和方向, 在焊件装配时造成与焊接残余 变形大小相当、方向相反的预变形量( 反变形量 ), 焊后焊接残余变形抵消了预变 形量,

18、使构件恢复到设计要求的几何形状和尺寸。这种预制的反变形可以是弹性 的，塑性的或弹塑性的。 采用加裕量的办法控制焊接变形时，在工件下料尺寸上 所加的焊接裕量通常为0.1%0.2%,以弥补焊后变形。 6 刚性固定法是采用夹具或刚性胎具将被焊构件加以固定来限制焊接变形，对 于刚度小的结构刚性固定可有效的控制角变形、波浪变形及弯曲变形。 结构刚度 越大，刚性固定法控制弯曲变形的效果就越差。刚性固定可减少焊接变形， 但会 产生较大的焊接应力。 预拉伸法是采用机械预拉伸或加热预拉伸的方法使钢板得到预先的拉伸与 伸长，这时在张紧的钢板上进行焊接装配，焊后去除预拉伸或加热, 使钢板恢复 初始状态。此方法多用于

19、薄板平面构件，可有效地降低焊接残余应力, 防止波浪 变形。 （不同的预热温度在降低残余应力方面有的差别：当预热温度在300 400时, 残余应力水平降低了30% 50%,当预热温度为200时, 残余应力水平 降低了 10% 20% 。） 4.2.2焊接过程控制措施 焊接过程中采用合理的焊接方法和焊接参数, 选择合理的焊接次序，随焊强 制冷却，等措施均可降低焊接残余应力、减小焊接变形。 先焊短焊缝后焊长焊缝。 焊接 1 米以上的长焊缝时要两头中间断断续续的 焊，不要连续焊接，采用逐步退焊、跳焊预留焊接长度的方法, 预留 100200mm 的焊缝对纵向收缩变形给予补偿，减少焊接变形量。 厚板焊接尽

20、可能采用多层焊代替单层焊。“T”形接头板厚较大时采用开 坡口对接焊缝。 双面均可焊接操作时， 要采用双面对称坡口， 并在多层焊时采用 与构件中心线（或轴线）对称的焊接顺序。 纵向加强肋和横向加强肋的焊接可采用间断焊接法。中心板和内环板之间 的焊缝，可由数名焊工均布对称施焊，并可同时进行。 对于焊缝较多的构件， 组焊时要采取合理的焊接顺序。 根据结构和焊缝的 布置，要先焊收缩量较大的焊缝， 后焊收缩量较小的焊缝； 先焊拘束度较大而不 能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝。10-710-8 选用不同的焊接参数， 采用能量密度较高的焊接方法， 通过较小的焊接热 输入，控制焊接温度场，减

21、小焊接变形。例如：对屈服强度345MPa以下，淬硬 性不强的钢材采用较小的热输入，尽可能不预热或适当降低预热和层间温度；可 优先采用热输入较小的焊接方法，如CO2气体保护焊。 采用焊强制冷却的方法使焊缝处热量迅速散走，减小金属受热面， 也能能 够显著地降低残余应力和减少焊接变形。 4.3 焊后矫正措施 当构件焊接后 , 只能通过矫正措施来减小或消除已发生的残余变形。焊后矫 正措施主要分为机械矫正和加热矫正。加热矫正又分为整体加热和局部加热。 4.3.1机械矫正 机械矫正法是采用手工锤击、 压力机、多辊平板机等对焊件进行静力加压或 辗压，产生新的塑性变形，使原来缩短的部分得到延伸，从而矫正变形。

22、 4.3.2加热矫正 整体加热矫正是指将整体构件加热至锻造温度以上再进行矫正的方法, 可 用以消除较大的形状偏差。但是焊后整体加热容易引起冶金方面的副作用, 限制 了该方法的进一步推广及应用。 局部加热矫正多采用火焰对焊接构件局部加热, 在高温处 , 材料的热膨胀 受到构件本身刚性制约 , 产生局部压缩塑性变形 , 冷却后收缩 , 抵消了焊后部位的 伸长变形 , 达到矫正目的 , 局部加热矫正方法简便灵活, 因此在生产上广为应用。 7 在实际使用时应控制加热的温度与位置，对于低碳钢和普通低合金钢，常采用 600800的加热温度。局部加热矫正的方法有以下三种： 1）点状加热法多用于薄板结构， 加

23、热点直径 d15mm, 加热点中心距为 50 100mm 。 2）线状加热法多用于矫正角变形、扭曲变形及筒体直径过大或椭圆度。 3）三角形加热法多用于矫正弯曲变形。 4.3.3局部加热矫正的注意事项 矫正变形前应认真分析变形情况，制定矫正方案， 确定加热位置及矫正步 骤。 认真了解被矫正结构的材料性质。焊接性好的材料， 矫正后材料性能变化 小。对于已经热处理的高强度钢，加热温度不应超过其回火温度。 加热火焰一般采用中性焰。 当采用水冷配合火焰矫正时，应在钢材冷却到失去红态时再浇水。 由于火焰矫正需要对构件再次加热至高温，所遇对于合金钢等材料应当慎 用。 采用锤击法矫正薄板变形时，应采用木锤。 日常生产加工过程中， 由于焊接金属温度的不均匀变化，焊接就可能产生焊接应 力，而有应力就有可能使金属钢结构产生焊接变形。然而只要通过选择正确的结 构设计和焊接工艺方法措施以及正确变形矫正方法，就完全可以对焊接应力和变 形进行控制，将变形量控制到最小，从而保证钢结构的产品质量。