焊接应力与变形
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焊接应力与变形
陕汽集团焊接高级技师 张明录
提纲
一、焊接变形的概述 二、焊接残余变形的分类 三、控制焊接变形的措施
四、焊接变形的矫正
焊接变形 焊接过程瞬态 热变形 面内位移 面外位移 相变组织变形
焊后残余变形
面内变形
面外变形
焊缝纵向收缩
角变形源自文库
焊接变形的概述
焊缝横向收缩
弯曲变形
回转变形
扭曲变形
失稳波形变形
火焰加热的三要素
加热位置 加热温度 加热区的形状
加热位置
加热位置是成败的关键因素，加热位置不正确，不仅起不 到矫正作用，反而加重已有的变形。因此，所选的加热位 置必须使产生的变形方向与焊接残余变形方向相反，起到 抵消变形的作用。
加热温度
结构钢火焰矫正加热温度一般为660～800℃之间。现场测 温不便，一般用眼睛观察加热部位的颜色来判断加热的大 致温度。
焊接残余变形的分类
由于焊接而产生的焊后残留在焊件中的变形。 1.收缩变形 2.弯曲变形 3.角变形 4.扭曲变形 5.波浪变形 6.错边变形
焊接残余变形
收缩变形
焊件焊后沿焊缝方向的收缩（纵向收缩）和在垂直焊缝 方向的收缩（横向收缩）。
弯曲变形
焊件焊后发生弯曲。弯曲可由焊缝的纵向收缩和横向收 缩引起。
刚性固定法
利用装配夹具或临时性支撑，将焊接件的相互位置固定， 用以防止焊后变形的方法。 此法对防止弯曲变形的效果不如反变形法，但对角变形 和波浪变形较有效。
选择合理的装配焊接顺序
无法使用胎夹具情况下焊接，一般都需要选 择合理的装焊顺序，使焊接变形减少至最小 。
大型复杂结构
只要条件允许，把它分成若干结构简单的部件，单独 进行焊接，然后再总装成整体。 这种 “化整为零、集零为整” 的装配焊接方案优点 是部件的尺寸和刚性得以减小，同时也简化了胎夹具的复 杂程度。 对称焊要求焊件翻身与变位容易实现，更重要的是可 以把影响整体结构变形最大的焊缝分散到各部件中焊接， 把不利影响减少或消除，但要注意所划分的部件应易于控 制焊接变形。
结构上不对称焊缝
焊缝在结构上分布不对称时，如果焊缝位于中性轴两 侧时，利用调节焊接热输入和交替施焊的顺序进行焊 接变形控制；如果焊缝位于中性轴一侧，则施焊顺序 不再起作用，只能采取减少焊接热输入或其它工艺措 施解决。
焊接变形的矫正
利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形， 使两者相互抵消。 焊接变形的矫正有：机械矫正法、火焰矫正法、散热法、 锤击法。 机械矫正法只适用于结构简单的中、小型焊件，对高强度 钢应慎用。
加热区的形状 点状加热
点状加热集中在金属表面的一个圆点加热，加热后可获得 以一点为中心的均匀径向收缩效果。适应薄板波浪变形的 矫平，常以梅花状均匀分布，点直径≥15mm，厚板时应适 当加大；点间距50～100mm，为了提高效率，每加热完一 个点后，立即用木锤锻打加热点及周围区域，以增加压缩 塑性变形（薄板锻打时，背面须设垫板），可浇水冷却。
机械矫正法
机械矫正有：油压机、千斤顶、辊压机和专用矫正机。
火焰矫正法
用火焰对金属局部进行加热，使之产生压缩塑性变形，冷 却时该处金属发生收缩，利用收缩产生的变形去抵消焊接 引起的残余变形。 火焰矫正法一般使用的是氧-乙炔火焰，不需专门设备， 操作灵活、简单方便，可以在大型结构上进行校正，但效 率较低 。
大型复杂结构
对称结构上的对称焊缝
两面同时焊接，使正反两面变形获得抵消，有时只能先焊 一侧，后焊另一侧，也应两边交替对称焊接。 用同样工艺参数焊接时，先焊侧引起的变形总比后焊侧大 一些。应把先焊侧改为多层多道焊，并减少每层（道）焊 接热输入，再利用两面交替焊接顺序，让每侧引起的变形 最后都获得抵消。
角变形
焊后焊件的平面围绕焊缝产生的回转变形。
β
扭曲变形
角变形沿着焊缝上逐渐增大，使构件扭转， 焊后在结 构上出现的扭曲。
波浪变形
焊后焊件呈现波浪形，这种变形在平面薄板焊接时最 易产生，也称翘曲变形。
a-两板对接焊接
b-多道T形焊接
错边变形
两块板材于焊接过程中因刚度或散热程度不等所引起 的纵向或厚度方向上位移不一致而造成的变形。
颜色 褐红色 温度℃ 580~650 颜色 樱红色 淡樱红色 温度℃ 770~800 880~830 颜色 暗黄色 亮黄色 温度℃ 1050~1150 1150~1250
深褐红色 550~580
暗樱红色 650~730
深樱红色 730~770
亮樱红色
桔黄色
830~960
960~1050
白黄色
1250~1300
三角加热
加热区呈三角状，可获得三角底部边横向收缩大于顶端横 向收缩的效果。用于刚性大和变形量大的焊件时常采用这 种加热方式。
散热法
将焊接处热量迅 速散走，减小焊 缝及其附近的受 热区，达到减小 焊接变形的目的。
喷水法散热
散热垫法散热
水浸法散热
火焰矫正注意事项
1.了解构件的材质，焊接性好的材料都能用火焰矫正，如 低碳钢、低合金钢（16Mn等），不仅可以用火焰矫正， 而且还可以浇水急冷，提高校正效率。 2.火焰矫正过程用水急冷的目的是限制膨胀范围；增加对 加热区的挤压作用； 不必等待， 可立即看到效果，但 对于有淬火倾向或刚性较大的工件，不宜使用。浇水冷 却要在颜色冷却到失去红色时才可浇水。 3.加热温度不宜超过800℃，否则会引起加热区过热，也不 是加热面积越大越好，尤其是薄板加热。
控制焊接变形的措施
1.反变形法 2.合理的焊接方法 3.刚性固定法 4.正确的装焊顺序 5.散热法 6.锤击法
控制焊接 变形措施
反变形法
焊接前使被焊件发生大小相同、方向相反的变形，以 抵消或补偿焊后发生的变形。
选择合理的焊接方法
选用能量比较集中的焊接方法，可有效的减少焊接 变形。 如用等离子弧焊 、氩弧焊、 CO2保护焊、手工电弧 焊代替气焊进行薄板焊接，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。
点状加热
条状加热
条状加热火焰沿直线方向移动，连续加热金属表面，形成 一条加热线即条状加热。 薄板校平不作横向摆动加热，需扩大面积 时，从中间向两侧 平行的增加加热线，线距视变形程度而定，变形量大宜密 些。
带状加热
若在移动过程中横向摆动，就形成加热带即带状加热。带状 加热的横向收缩一般大于纵向收缩量，应充分利用此特点安 排加热位置，厚板校正主要采用带状加热。带状加热多用于 校正变形量较大或刚性较大的构件。
陕汽集团焊接高级技师 张明录
提纲
一、焊接变形的概述 二、焊接残余变形的分类 三、控制焊接变形的措施
四、焊接变形的矫正
焊接变形 焊接过程瞬态 热变形 面内位移 面外位移 相变组织变形
焊后残余变形
面内变形
面外变形
焊缝纵向收缩
角变形源自文库
焊接变形的概述
焊缝横向收缩
弯曲变形
回转变形
扭曲变形
失稳波形变形
火焰加热的三要素
加热位置 加热温度 加热区的形状
加热位置
加热位置是成败的关键因素，加热位置不正确，不仅起不 到矫正作用，反而加重已有的变形。因此，所选的加热位 置必须使产生的变形方向与焊接残余变形方向相反，起到 抵消变形的作用。
加热温度
结构钢火焰矫正加热温度一般为660～800℃之间。现场测 温不便，一般用眼睛观察加热部位的颜色来判断加热的大 致温度。
焊接残余变形的分类
由于焊接而产生的焊后残留在焊件中的变形。 1.收缩变形 2.弯曲变形 3.角变形 4.扭曲变形 5.波浪变形 6.错边变形
焊接残余变形
收缩变形
焊件焊后沿焊缝方向的收缩（纵向收缩）和在垂直焊缝 方向的收缩（横向收缩）。
弯曲变形
焊件焊后发生弯曲。弯曲可由焊缝的纵向收缩和横向收 缩引起。
刚性固定法
利用装配夹具或临时性支撑，将焊接件的相互位置固定， 用以防止焊后变形的方法。 此法对防止弯曲变形的效果不如反变形法，但对角变形 和波浪变形较有效。
选择合理的装配焊接顺序
无法使用胎夹具情况下焊接，一般都需要选 择合理的装焊顺序，使焊接变形减少至最小 。
大型复杂结构
只要条件允许，把它分成若干结构简单的部件，单独 进行焊接，然后再总装成整体。 这种 “化整为零、集零为整” 的装配焊接方案优点 是部件的尺寸和刚性得以减小，同时也简化了胎夹具的复 杂程度。 对称焊要求焊件翻身与变位容易实现，更重要的是可 以把影响整体结构变形最大的焊缝分散到各部件中焊接， 把不利影响减少或消除，但要注意所划分的部件应易于控 制焊接变形。
结构上不对称焊缝
焊缝在结构上分布不对称时，如果焊缝位于中性轴两 侧时，利用调节焊接热输入和交替施焊的顺序进行焊 接变形控制；如果焊缝位于中性轴一侧，则施焊顺序 不再起作用，只能采取减少焊接热输入或其它工艺措 施解决。
焊接变形的矫正
利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形， 使两者相互抵消。 焊接变形的矫正有：机械矫正法、火焰矫正法、散热法、 锤击法。 机械矫正法只适用于结构简单的中、小型焊件，对高强度 钢应慎用。
加热区的形状 点状加热
点状加热集中在金属表面的一个圆点加热，加热后可获得 以一点为中心的均匀径向收缩效果。适应薄板波浪变形的 矫平，常以梅花状均匀分布，点直径≥15mm，厚板时应适 当加大；点间距50～100mm，为了提高效率，每加热完一 个点后，立即用木锤锻打加热点及周围区域，以增加压缩 塑性变形（薄板锻打时，背面须设垫板），可浇水冷却。
机械矫正法
机械矫正有：油压机、千斤顶、辊压机和专用矫正机。
火焰矫正法
用火焰对金属局部进行加热，使之产生压缩塑性变形，冷 却时该处金属发生收缩，利用收缩产生的变形去抵消焊接 引起的残余变形。 火焰矫正法一般使用的是氧-乙炔火焰，不需专门设备， 操作灵活、简单方便，可以在大型结构上进行校正，但效 率较低 。
大型复杂结构
对称结构上的对称焊缝
两面同时焊接，使正反两面变形获得抵消，有时只能先焊 一侧，后焊另一侧，也应两边交替对称焊接。 用同样工艺参数焊接时，先焊侧引起的变形总比后焊侧大 一些。应把先焊侧改为多层多道焊，并减少每层（道）焊 接热输入，再利用两面交替焊接顺序，让每侧引起的变形 最后都获得抵消。
角变形
焊后焊件的平面围绕焊缝产生的回转变形。
β
扭曲变形
角变形沿着焊缝上逐渐增大，使构件扭转， 焊后在结 构上出现的扭曲。
波浪变形
焊后焊件呈现波浪形，这种变形在平面薄板焊接时最 易产生，也称翘曲变形。
a-两板对接焊接
b-多道T形焊接
错边变形
两块板材于焊接过程中因刚度或散热程度不等所引起 的纵向或厚度方向上位移不一致而造成的变形。
颜色 褐红色 温度℃ 580~650 颜色 樱红色 淡樱红色 温度℃ 770~800 880~830 颜色 暗黄色 亮黄色 温度℃ 1050~1150 1150~1250
深褐红色 550~580
暗樱红色 650~730
深樱红色 730~770
亮樱红色
桔黄色
830~960
960~1050
白黄色
1250~1300
三角加热
加热区呈三角状，可获得三角底部边横向收缩大于顶端横 向收缩的效果。用于刚性大和变形量大的焊件时常采用这 种加热方式。
散热法
将焊接处热量迅 速散走，减小焊 缝及其附近的受 热区，达到减小 焊接变形的目的。
喷水法散热
散热垫法散热
水浸法散热
火焰矫正注意事项
1.了解构件的材质，焊接性好的材料都能用火焰矫正，如 低碳钢、低合金钢（16Mn等），不仅可以用火焰矫正， 而且还可以浇水急冷，提高校正效率。 2.火焰矫正过程用水急冷的目的是限制膨胀范围；增加对 加热区的挤压作用； 不必等待， 可立即看到效果，但 对于有淬火倾向或刚性较大的工件，不宜使用。浇水冷 却要在颜色冷却到失去红色时才可浇水。 3.加热温度不宜超过800℃，否则会引起加热区过热，也不 是加热面积越大越好，尤其是薄板加热。
控制焊接变形的措施
1.反变形法 2.合理的焊接方法 3.刚性固定法 4.正确的装焊顺序 5.散热法 6.锤击法
控制焊接 变形措施
反变形法
焊接前使被焊件发生大小相同、方向相反的变形，以 抵消或补偿焊后发生的变形。
选择合理的焊接方法
选用能量比较集中的焊接方法，可有效的减少焊接 变形。 如用等离子弧焊 、氩弧焊、 CO2保护焊、手工电弧 焊代替气焊进行薄板焊接，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。
点状加热
条状加热
条状加热火焰沿直线方向移动，连续加热金属表面，形成 一条加热线即条状加热。 薄板校平不作横向摆动加热，需扩大面积 时，从中间向两侧 平行的增加加热线，线距视变形程度而定，变形量大宜密 些。
带状加热
若在移动过程中横向摆动，就形成加热带即带状加热。带状 加热的横向收缩一般大于纵向收缩量，应充分利用此特点安 排加热位置，厚板校正主要采用带状加热。带状加热多用于 校正变形量较大或刚性较大的构件。