焊接变形控制技术

钢结构制造事业部焊接变形控制工艺

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重庆建工工业有限公司

钢结构事业部

2015年6月11日

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)

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)

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；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

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=0.4～0.6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。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，