焊接变形相关论文

江苏徐州工程机械研究院 （8）横向收缩变形量随板厚的增加而增加。
（9）打底焊缝（第 1 层焊缝）应采用较小的焊接电流和焊高，因第 1 层焊缝的收缩量占总收 缩量的 80%。 2）影响焊接结构变形的主要因素 （1)焊接工艺方法：不同的焊接方法将产生不同的温度场，形成的热变形也不相同。一般来说 自动焊比手工焊加热集中，受热区窄，变形较小；CO2 气体保护焊焊丝细，电流密度大，加 热集中，变形小，比手工焊更适合于车架焊接。
江苏徐州工程机械研究院 ①δ——板厚（mm）。 当两板自由对接、焊缝不长、横向没有约束时，横向收缩变形量要比纵向的大得多。 3） 焊件弯曲变形
如果焊件上的焊缝不位于焊件的中性轴上，并且相对于中性轴不对称（上下、左右），则
焊后焊件将会产生弯曲变形。如果焊缝集中在中性轴下方（或下方焊缝较多）则焊件焊后将产
9
②因横向收缩比纵向收缩显著，应尽可能将焊缝布置在平行于要求焊缝变形最小的方向。 ③当采用分部件装配焊接时，设计时应预先考虑结构分部件的可能性，并应使部件总装成结构 时的焊接工作量最小，减少总装时的焊接变形。 ④设计薄板结构时，不应由于焊接骨架而失稳，应选择合理的厚度，降低焊脚。 ⑤尽量避免设计曲线结构。 2）工艺措施 （1） 合理选择装配（我们称“组焊”或“点焊”）顺序
8
Baidu Nhomakorabea
（2)焊接参数（焊接电流、电弧电压、焊接速度）：焊接变形随焊接电流和电弧电压增大而 增大，随焊接速度增快而减小，其中电弧 电压的作用明显。因此低电压、高速大电流密度的 自动焊变形较小。 （3)焊缝数量和断面大小：焊缝数量愈多，断面尺寸愈大，焊接变形愈大。 （4)施焊方法：连续焊、断续焊的温度场不同，产生的热变形也不同。通常连续焊变形较大， 断续焊变形较小。 （5)材料的热物理性能：不同材料的导热系数、比热和膨胀系数等均不同，产生的热变形不 同，焊接变形也不同。 （6)焊接夹具的设计合理性：采用焊接夹具，增加了构件的刚性，从而影响到焊接变形。 （7)构件焊接程序：焊接程序能引起构件在不同组合阶段刚性变化和质心位置改变，对控制 构件焊接变形有很大影响。
2、焊缝收缩规律、影响焊接结构变形的主要因素
1）焊缝收缩规律 （1） 线膨胀系数大的金属材料，其变形比线膨胀系数小的金属材料大； （2） 焊缝的纵向收缩量随着焊缝长度的增加而增加； （3） 角焊缝的横向收缩比对接焊缝的横向收缩小； （4） 间断焊缝比连续焊缝的收缩量小； （5） 多层焊时，第一层引起的收缩量最大，以后各层逐渐减小； （6） 在夹具固定条件下的焊接收缩量比没有夹具固定的焊接收缩量小，约减少 40%--70%； （7） 焊脚等于平板厚度的丁字接头，角变形量较大。
焊接变形和应力控制基本措施
江苏徐州工程机械研究院 孟庆勇、赵俊三
一、 焊接变形、应力产生的原因与危害
焊接接头包括焊缝和热影响区两部分金属。焊缝金属是由熔池中的液态金属迅速冷却、 凝固结晶而成，其中心点温度可达 2500℃以上。靠近焊缝的基本金属在电弧的高温作用下， 内部组织发生变化，这一区域称为热影响区。焊缝处的温度很高，而稍稍向外则温度迅速下降， 热影响区主要由不完全熔化区、过热区、正火区、不完全正火区、再结晶区和蓝脆区等段组成， 热影响区的宽度在 8—30 mm 范围内，其温度从低到高大约在 500 ℃--1500℃之间。
江苏徐州工程机械研究院 1） 焊件的纵向收缩变形 焊件焊后沿平行于焊缝长度方向上产生的收缩变形称为纵向收缩变形。当焊缝位于焊件的 中性轴上或数条焊缝分布在相对中性轴的对称位置上，焊后焊件将产生纵向收缩变形，其焊缝 位置见表 1。
2
焊缝的纵向收缩变形量随焊缝的长度、焊缝熔敷金属截面积的增加而增加，随焊件截面积 的增加而减少，其近似值见表 2。
1
变形形式
产生原因
收缩变形
由焊接后焊缝的纵向（沿焊缝长度方向）和横向（沿焊缝宽度方向） 收缩引起
角 变 形 由于焊缝横截面形状上下不对称，焊缝横向收缩不均引起
弯曲变形 T 形梁焊接时，焊缝布置不对称，由焊缝纵向收缩引起
扭曲变形
工字梁焊接时，由于焊接顺序和焊接方向不合理引起结构上出现扭 曲
波浪变形 薄板焊接时，焊接应力使薄板局部失稳而引起
为控制焊接残余变形而采用的焊接方向，有以下几种：
通常，焊件的焊接残余变形和残余应力是同时存在的，有时焊接残余变形的危害比残余应 力的危害还要大。焊接残余变形使焊件或部件的尺寸改变，降低装配质量，甚至使产品直接报 废。矫正变形是一件费时的事，会增加制造成本，降低焊接接头的性能。另外，由于角变形、 弯曲变形和扭曲变形使构件承受载荷时产生附加应力，因而会降低构件的实际承载能力，导致 发生断事故。
3、焊接变形的控制
1）设计措施 （1）合理的焊缝尺寸和形式
焊缝尺寸直接关系到车架的焊接工作量和焊接变形大小，焊缝尺寸大，焊接工作量大，焊 接变形也大。因此，应在保证焊接质量的前提下，按板厚（管壁厚）来选取工艺上允许的最小 焊缝尺寸。 ①板厚较大的对接焊缝偏重取“X”坡口代替“V”型坡口，更厚的可用“U”型、双“U”型 或窄间隙深坡口，目的是减少坡口的焊缝金属量。 ②在保证车架承载能力的情况下，应尽量减小焊缝尺寸，但并不是说焊缝尺寸越小越好，焊缝 尺寸太小，冷却速度快，容易产生裂纹、热影响区硬度过高等焊接缺陷。 ③对受力大的“T”型接头，在保证强度的条件下，采用坡口角焊缝比一般角焊缝可以大大减 少焊缝金属，减少变形。 ④当按计算确定“T”型接头角焊缝时，应采用连续焊缝，不要采用与连续焊缝等强度的断续 焊缝，并应采用双面连续焊缝代替等强度的单面连续焊缝，以减少角焊缝的焊脚尺寸。
生上拱弯曲变形；相反如果焊缝集中在中性轴上方（或上方焊缝较多），则焊件焊后将产生下
凹弯曲变形。又如果焊件相对焊件中性轴左、右不对称，则焊后将产生旁弯，焊件产生弯曲变
形的焊缝位置，见表 6。
5
4 ）焊件产生角变形 焊接时，由于焊接区沿板材厚度方向不均匀的横向收缩而引起的回转变形称为角变形见图
1b。 产生角变形的原因是，焊缝的截面总是上宽下窄，因而横向收缩量在焊缝的厚度方向上分
表 2 焊缝纵向收缩变形量的近似值 （mm/m）
对接焊缝 0.15～0.3
连续角焊缝 0.2～0.4
间断角焊缝 0～0.1
注：表中所表示的数据是在宽度大约为 15 倍板厚的焊缝区域中的纵向收缩变形量，适用于中
等厚度的低碳钢板。
2）焊件的横向收缩变形
焊件焊后在垂直于焊缝方向上发生的收缩变形称为横向收缩变形，横向收缩变形量随板厚
在焊接过程中，不均匀的加热，使得焊缝及其附近的温度很高，而远处大部分金属不受热， 其温度还是室内温度。这样，不受热的冷金属部分便阻碍了焊缝及近缝区金属的膨胀和收缩； 因而，冷却后，焊缝就产生了不同程度的收缩和内应力（纵向和横向），就造成了焊接结构的 各种变形。金属内部发生晶粒组织的转变所引起的体积变化也可能引起焊件的变形。这是产生 焊接应力与变形的根本原因。
（2）合理选择焊接顺序 有许多结构截面形状对称，焊缝布置也对称，但焊后却发生弯曲或扭曲的变形，这主要是
装配和焊接顺序不合理引起的，也就是各条焊缝引起的变形，未能相互抵消，于是发生变形。 焊接顺序是影响焊接结构变形的主要因素之一，安排焊接顺序时应注意下列原则：
①对称焊缝采用对称焊接 当构件具有对称布置的焊缝时，可采用对称焊接减少变形。如图 4 所示工字梁，当总体装配好后先焊焊缝 1、2，然后焊接 3、4，焊后就产生上拱的弯曲变形。 如果按 1、4、2、3 的顺序进行焊接，焊后弯曲变形就会减小。但对称焊接不能完全消除变形，
6
江苏徐州工程机械研究院 5 ）波浪变形和扭曲变形
（1）波浪变形 焊后构件产生形似波浪的变形称为波浪变形。薄板对接焊后，存在于板中的 内应力，在焊缝附近是拉应力，离开焊缝较远的两侧区域为压应力，如压应力较大，平板失去 稳定就产生波浪变形，见图 1d。 此外，当焊件上的几条角焊缝靠得很近时，由每角焊缝所引起的角变形连贯在一起也会形成波 浪变形，见图 2。波浪变形通常产生在薄板结构中。
江苏徐州工程机械研究院 因为焊缝的增加，结构刚度逐渐增大，后焊的焊缝引起的变形比先焊的焊缝小，虽然两者方向
相反，但并不能完全抵消，最后仍将保留先焊焊缝的变形方向。 ②不对称焊缝先焊焊缝少的一侧 因为先焊焊缝的变形大，故焊缝少的一侧先焊时，使它产生 较大的变形，然后再用另一侧多的焊缝引起的变形来加以抵消，就可以减少整个结构的变形。 ③先按设定的顺序打底焊，冷却后，按同样的顺序进行覆盖焊 （3）合理选择焊接方向
江苏徐州工程机械研究院 二、焊接变形类别与控制措施
1、焊接残余变形的类别
焊接过程中焊件产生的变形称为焊接变形。焊后，焊件残留的变形称为焊接残余变形。焊 接残余变形有纵向收缩变形、横向收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和波浪变形等共六 种，见图 1，其中焊缝的纵向收缩变形和横向收缩变形是基本的变形形式，在不同的焊件上， 由于焊缝的数量和位置分布不同，这两种变形又可表现为其它几种不同形式的变形。
残留在焊接构件中的焊接应力（又称为焊接残余应力）会降低接头区实际承受载荷的能力。 特别是当构件承受动载疲劳载荷时，有可能发生低应力破坏。对于厚壁结构的焊接接头、立体 交叉焊缝的焊接区或存在焊接缺陷的区域，由于焊接残余应力，使材料的塑性变形能力下降， 会造成构件发生脆性破裂。焊接残余应力在一定条件下会引起裂纹，有时导致产品返修或报废。 如果在工作温度下材料的塑性较差，由于焊接拉伸应力的存在，会降低结构的强度，缩短使用 寿命。
江苏徐州工程机械研究院 ⑤设计的结构应尽可能使大多数焊缝可以用自动焊，这种焊接变形小。
（2）尽可能减少焊缝数量，多用冲压件、型钢。 在车架结构中力求焊缝数量合理，焊缝不宜过分集中，尽量避免 2 条或 3 条焊缝垂直交
叉。 （3）合理的选择结构形式和安排焊缝位置 ①设计车架时，尽可能将焊缝对称于截面中性轴，这样能使焊缝引起的挠曲变形互相抵消；或 者使焊缝接近断面中性轴，以减少焊缝引起的挠曲。
7
（2）扭曲变形 构件焊后两端绕中性轴相反方向扭转一角度称为扭曲变形，见图 1e。 如果构件的角变形沿长度上分布不均匀和纵向有错边，则往往会产生扭曲变形。如图 3a
所示工字梁的四条角焊缝在定位焊后不采用适当夹具，按图 3b 所示的焊接方向（相邻焊缝反 向）进行焊接，这时角变形沿着焊缝长度逐渐增大，使构件扭转，即构件扭转，即产生扭曲变 形。
布不均匀，上面大、下面小，结果就形成了焊件的平面偏转，两侧向上翘起一个角度。电渣焊 缝由于焊缝厚度均匀，所以焊后焊件基本上不产生角变形。
有色金属和薄板，由于焊接过程中熔池承托不住焊件的重量，使两侧板下垂，结果会引起 相反方向的角变形。
江苏徐州工程机械研究院 低碳钢对接接头在自由状态下，焊后角变形的实验值，见表 7。
的增加而增加。
江苏徐州工程机械研究院 低碳钢对接接头、T 形接头和搭接接头的横向收缩变形量，见表 3、表 4。
3
江苏徐州工程机械研究院
4
对接接头横向收缩变形量的近似计算公式，见表 5。
表 5 对接接头横向收缩变形量的近似计算公式
坡口形式 Y形
横向缩短量计算公式 △L横=0.1δ①+0.6
双Y形
△L横=0.1δ+0.4
江苏徐州工程机械研究院
10
②结构截面形状和焊缝不对称的焊接结构，在装配过程中，截面重心位置不断发生变化，因而 焊接变形也变化，利用这一特点，通常把结构适当地分成部件，分别装配焊接，使不对称的焊 缝或收缩量大的焊缝在焊接过程中能够较自由地收缩而不影响整体结构，然后，拼焊成整体。 图 5b 所示的方案由于焊缝 1 离中性轴距离较大，所以弯曲变形较大，而图 5a 所示的焊缝 1 的位置几乎与上盖板截面中性轴重合，所以对整个结构的弯曲变形没有影响。
不同的构件形式应采用不同的装配焊接方法。 ①结构截面对称、焊缝布置对称的焊接结构，采用先装配成整体，然后再按一定的焊接顺序进 行生产，使结构在整体刚性较大的情况下焊接，能有效地减少弯曲变形。 例如，工字梁的装配焊接过程，可以有两种不同方案，见图 4。若采用图 4b 所示的边装边焊 顺序进行生产，焊后要产生较大的上拱弯曲变形；若采用图 4c 所示的整装后焊顺序，就可有 效地减少弯曲变形的产生。