焊接残余变形的控制措施

焊接残余变形的控制措施

摘要焊接残余变形是焊后残存于结构中的变形，是焊接结构生产过程中常常出现的问题。通过正确的施工，可以减少焊接残余变形。

关键词焊接残余应力残余变形措施

1 前言

在焊接结构生产过程中，焊接残余变形是经常出现的问题。焊接残余应力和变形是形成各种焊接裂纹的重要因素，它在一定条件下还会严重影响焊件的强度、刚度、受压时的稳定性、加工精度和尺寸稳定性等等。为此，采取相应措施以控制焊接变形是十分必要的。

2 焊接残余应力和残余变形的成因

钢材在施焊过程中会在焊缝及附近区域内形成不均匀的温度场，焊缝及附近的温度最高可达1600℃以上，由焊缝临近区域向外，温度急剧下降。不均匀温度场有导致不均匀膨胀的趋势，但施焊后的钢材已经连接成整体，低温区对高温区的变形产生约束，使高温区产生热塑压缩变形，未达到热塑温度的高温区则会产生热压应力，低温区则产生拉应力。在冷却过程中，低温区先冷却，其收缩变形不受约束，而高温区冷却较慢，后冷却区域的收缩变形将受到先冷却区域的约束，因而使高温区产生拉应力，相反，低温区则产生相应的压应力。在无外界约束的情况下，焊件内的拉应力和压应力自相平衡。这种应力称为焊接残余应力，它是一组自相平衡的内应力。随焊接残余应力的产生，同时也会出现不同方向的不均匀收缩变形，称为焊接残余变形。如图2—1所示。

3 焊接残余变形的种类及影响变形的因素

3.1焊接残余变形的种类

常见的焊接残余变形有以下几种：

3.1.1收缩变形：分纵向收缩和横向收缩两种，如图3—1所示。

3.1.2弯曲变形：构件焊后发生弯曲变形，如图3—2所示。

3.1.3角变形：焊后构件的平面绕焊缝产生的角位移，常见如图3—3所示。

3.1.4扭曲变形：绕构件轴线扭曲，如图3—4所示。

3.1.5波浪变形：焊后构件呈波浪形，如图3—5所示。

3.1.6错边变形：在焊接过程中，两焊接件的热膨胀不一致，可能引起长度方向上的错边和厚度方向上的错边，如图3—6所示。

以上几种类型的变形，在焊接结构生产中往往并不是单独出现的，而是同时出现，相互影响的。

3.2影响焊接残余变形的因素

影响焊接残余变形主要有以下几个因素：

3.2.1焊脚尺寸焊脚尺寸增加，变形也随之加大。但过小的焊脚尺寸，将降低结构的承载能力。并使接头的冷却速度加快，容易产生裂纹以及热影响区硬度增高等缺陷。因此，因该在满足结构的承载能力和保证焊接质量的前提下，随着板的厚度来选取工艺上可能的最小焊脚尺寸。不同低碳钢板的最小焊脚尺寸见下表：

低碳钢板角焊缝最小焊脚尺寸

3.2.2材料的线胀系数线胀系数越大，焊后残余变形越大。

3.2.3焊接热输入焊接热输入越大，焊后残余变形越大。不同的焊接方法，焊接热输入量不一样。例如，埋弧焊的热输入量比焊条电弧焊大，所以焊后变形大。

3.2.4焊缝位置焊缝轴线离开焊件中性轴越远，焊后弯曲变形越大。

3.2.5坡口形式单面坡口比双面坡口焊后角变形大。坡口的空间面积越大，焊后变形越大。

4 预防和矫正焊接残余变形的措施

对于焊接残余变形，我们在施工过程中，通过正确的施工工艺和可行的矫正方法，来减少焊接残余应力和残余变形。

4.1正确的施工

4.1.1利用合理的装配焊接顺序来控制焊接残余变形

同样一个构件采用不同的装焊顺序，焊后所的的残余变形往往相差很大。

①结构截面对称，焊缝布置对称的焊接结构，采用装配成整体，然后再按一定的焊接顺序进行焊接，在结构整体刚性较大的情况下焊接，能有效的减少弯曲变形。

例如，工字梁的装配焊接过程，可以有两种不同方案。如图4—3所示。若采用4—3b 所示的边装边焊顺序，焊后要产生较大的上挠弯曲变形；若采用4—3c所示的整装后焊顺序，则能有效的减少弯曲变形。

②结构截面形状和焊缝布置不对称的焊接结构，可分别装焊成部件，然后在组焊在一起。如图4—4所示，

该焊接梁是由两根槽钢，若干隔板和盖板组成。槽钢与盖板间用角焊缝1来连接，隔板与盖板及槽钢分别用角焊缝2和角焊缝3来连接。

方案一：先把隔板和槽钢装配在一起，然后焊接角焊缝3，由于焊缝3的大部分在槽钢中性轴以下，焊缝的横向收缩产生上挠f3。再将盖板与槽钢加隔板装配起来，焊接焊缝1，由于焊缝1位于构件断面中性轴以下，焊缝1的纵向收缩引起的上挠度f1。最后焊接焊缝2，由于焊缝2也是位于构件断面中性轴以下，焊缝2的横向收缩引起的上挠度f2。最终产生上挠变形，其数值为（f1+ f2+ f3）。

方案二：先把盖板和槽钢装配在一起，焊接焊缝1，由于焊缝1在构件断面中性轴以下，它的纵向收缩引起构件产生上挠度f1。再装配隔板，焊接焊缝2，焊缝2的横向收缩引起的上挠度f2。最后焊接焊缝3，此时由于槽钢与盖板已形成一个整体，其中性轴从槽钢本身的中心向下移，使焊缝3之大部分在槽钢中性轴以上，因此焊缝3的横向收缩引起构件的下挠度f‘3。焊后构件的最终挠度为（f1+ f2—f‘3）。

方案三：先把隔板和槽钢装配在一起，焊接角焊缝2。盖板在自由状态焊接，只能产生横向收缩和角变形。若采用压板将盖板紧压在平台上，角变形是可以控制的。此时的盖板没有和槽钢连接，它的收缩并不引起挠度，即 f1=0。在此基础上装配槽钢，焊接焊缝1，引起上挠度f1。再装配隔板，焊接焊缝3，引起下挠度f‘3。构件最终的挠度，其数值为（f1— f ‘

3）。

把上面三个方案作比较，可以清楚地看出不同的装配顺序，得出完全不同的结果。方案一的挠曲变形最大，方案三最小，方案二介于两者之间。方案三之所以挠曲变形小，关键在于把焊缝2的焊接安排在盖板与槽钢焊接之前，这样就使焊缝2可以自由收缩，而它的横向收缩力不致加到已具有较大刚度的槽钢和盖板组合体上去。其次，把焊缝3安排在槽钢与盖板组成的一个整体之后，因为槽钢和盖板组合体的断面中性轴下移，使得焊缝3的中心和断面中性轴的相对位置起了转化，由方案一在中性轴以下，转化到中性轴以上，结果产生与焊缝1引起的挠度方向相反的下挠度，这样就进一步减少了变形。

4.1.2利用焊接顺序和方向来控制焊接残余变形

①按变形收缩量大小确定焊接顺序

这种情况通常先焊变形收缩量较大的焊缝，使其能较自由的收缩。如一个带盖板的双工字钢构件，由对接焊缝和角焊缝组焊而成，如图4—5，