焊接残余变形预防和控制(周尚谕)[小编推荐]_焊接变形的控制方法

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焊接残余变形的预防和控制

周尚谕

（华东交通大学

材料加工工程，江西 南昌 330013）

摘要：焊接残余变形可以从设计和工艺两个方面来解决。而设计上如果考虑的比较周到，注意减少焊接变形，往往比单独从工艺上来解决问题要方便的多。相反，如果设计考虑不周，则往往会给生产带来许多额外的工序，大大延长生产周期，提高产品的成本。因此，我们应该充分了解内应力产生的原因和形成变形的基本规律，以控制或减小焊接应力和变形的危害。

关键词：焊接；残余变形；焊接结构；预防；控制

The prevention and the control welds the

remaining distortion

ZHOU Shang-yu(East China jiaotong university，jiangxi nanchang 330013）

Abstract：Welds the remaining distortion to be poible solves from the design and the craft two aspects.But designs, if considers to be quite thorough, the attention reduction welding deformation, often compared to alone solves many which from the craft the question must facilitate.On the contrary, if design consideration not week, will then often bring many extra working procedures to the production, will lengthen the production cycle greatly, will enhance the product the cost.Therefore, we should understand fully the internal stre produces the reason and forms the distortion the basic rule, controls or reduces the welding stre and the distortion harm.Key word：Welding;Remaining distortion;Welding structure;Prevention;Control 1 引言

焊接技术在工业中的应用的历史并不长，但它的发展却是非常迅速的。短短的几十年中，焊接已在许多工业部门的金属结构中，如建筑钢结构，船体，铁道车辆，压力容器中几乎全部取代了铆接。不仅如此，在机械制造领域，过去的整铸整缎方法生产的大型毛坯改成了焊接结构，大大简化了生产工艺，降低了成本[1]。然而，焊接结构不可避免的会产生很多的缺陷，其中，焊接残余变形是焊接结构不可避免的缺点之一，它的存在造成了焊接结构形状变异、尺寸精度下降和承载能力降低，并在工作载荷作用下引起附加弯矩应力和应力集中，是造成焊接结构早期失效的主要原因，也是造成焊接接头疲劳强度下降的原因之一。人们采取了许多工艺方法来预防和控制焊接残余变形[2-4]，如，反变形方法、刚性固定法、合理选择焊接顺序、限制焊接线能量等，也经常采用理论计算来评估焊接变形叫，这为改善焊接结构的质量提供了保障。2 预防焊接结构变形的措施

2.1设计措施

预防焊接变形的措施：结构设计(1)合理的选择缝尺寸和形式

a)对于板厚的对接接头：多采用X型焊缝；厚度更大的采用U型、双U型、窄间隙深坡口焊缝。

b)保证承载能力的情况下，尽可能减少焊缝，但也不要太小，太小的焊缝，冷却速度过大，容易产生一系列焊接缺陷。

c)对于受力较大的T/十字型接头，在保证相同强度条件下，采用开坡口的焊缝可以比一般焊缝减少焊缝金属。

d)当计算确定T型接头焊缝时，采用双面角焊缝代替单面角焊缝。e)设计的结构尽可能使R多数焊缝可以自动焊，薄板焊用CO2气体保护焊代替手工焊或气焊，用接触点焊代替熔化焊。

(2)尽量减少不必要的焊缝。

(3)合理的安排焊缝的位置，安排焊缝尽可能对称于截面中性轴。a)焊缝接近断面中性轴，可以减小焊缝所引起的挠曲。b)由于横向收缩量通常要比纵向收缩量明显，应取焊缝布置于平行于最小变形方向。

c)夹具尽可能不影响薄板因焊缝而失稳。d)夹具不影响焊后结构尺寸。2.2工艺措施(1)反变形法

这是生产中最常用的方法。为了抵消焊接残余变形，焊前预先使焊件向焊接变形相反的方向变形。V形坡口对接焊中，均采用了反变形法来控制焊后的残余角变形，例如工字梁焊后产生的角变形，可在焊前预先将翼板制成反变形，然后焊接以抵消焊后变形。

(2)刚性固定法

这种情况是在没有反变形的情况下，焊前对焊件采取外加刚性约束，使焊件在焊接时不能自由变形。例如把薄板焊件固定在平台上，然后再焊接就能很好的控制焊接变形。

(3)选择合理的装配焊接顺序

采用不同的装配和焊接顺序，会产生不同的变形效果。如工字梁的焊接，采用两种不同的装焊顺序，产生的变形效果不同。如果先焊接成丁字形，然后再装配另一块翼板。在焊接丁字形结构时，由于焊缝分布在中性轴的下方，焊后将产生较大的上拱弯曲变形，即使另一块翼板焊后会产生的反向弯曲变形，也难以抵消原来产生的变形，最后工字梁将形成上拱弯曲变形。第二种先整体装配成工字梁，然后再进行焊接，此时梁的刚性增加，再采用对称、分段的焊接顺序，焊后上拱弯曲变形就小得多。这是先总装后焊接的控制结构焊后变形的工艺措施[5]。

对于不能一次总装成型的焊接结构，采用分步总装，逐步克服[6]。同样能起到适当控制结构的残余变形。如制作一个中间带有若干个隔板的箱形封闭式梁，在总装工艺中不能一次成型，只有分两步走：先制成一个“”形梁, 然后再在上方盖上盖板, 即形成一个“口”形的箱梁。在第一步总装过程中, 采取合理的焊接方向和焊接顺序等方法, 以求最大限度地减少结构的弯曲变形。这样, 到工艺结束, 工件的残余变形仍然很小, 一般不需再处理就能达到结构要求。

(4)合理选择焊接方法和规范

1)对称焊接。如果焊接结构的焊缝是对称布置的，应该采用对称焊接。这时应注意焊接顺序，采用分段、跳焊的对称焊接，通过先后焊缝的熔敷量来控制变形量，效果很好。

2)不对称焊缝。如果焊接结构的焊缝是不对称布置的，采用先焊焊缝少的一侧，使后焊的焊缝产生的变形足以抵消先前的变形，以使总的变形减小。

3)采用不同的焊接顺序。结构中若是长焊缝，采用连续的直通焊，将会造成较大的变形，在实践中常采用分段退焊法、分中段退焊法、跳焊法和交替焊法不同的焊接顺序来控制变形[5]。

同时保证选用线能量低的焊接方法。(5)散热法

用强迫冷却的方法将焊接区的热量带走，使受热面积大为减少，从而达到减小变形的目的。应该注意，散热法不适应谇硬倾向大材料。3 矫正焊接变形的方法

(1)机械矫正法

利用外力使构件产生与焊接变向相反的塑性变形，使两者相互抵消。例如用加压机构来矫正工字型梁的焊接变形。

(2)利用机械拉伸法来消除焊接残余应力

产生焊接残余应力的根本原因是焊件焊后产生了压缩残余塑性变形。因此，焊后对焊件进行加载拉伸，产生拉伸塑性变形，它的方向和压缩残余变形相反，结果使压缩残余变形小，因而焊件中的焊接残余应力亦随之同步减小。

机械拉伸消除应力法对于一些焊后需要进行液压试验的焊接容器特别有意义，因为液压试验时容器所承受的试验压力均大于容器的工作压力，例如钢制压力容器其试验压力为容器工作压力的1.25 倍，所以容器在进行液压试验的同时，对容器材料进行了一次相当于机械拉伸的膨胀，从而通过液压试验，消除了部分焊接残余应力。

(3)利用锤击焊缝区来控制焊接残余变形

焊接残余应力产生的根本原因是由于焊缝在冷却过程中的纵向收缩和横向收缩，因此焊后利用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属展开，能有效减少焊接残余应力，利用锤击法可使应力减少1/2～1/4。进行锤击焊缝时，焊件温度应当维持在100 ℃～150 ℃之间或在400 ℃以上，避免在200 ℃～350 ℃之间进行，因为此时金属正处于蓝脆性阶段，若锤击焊缝容易造成断裂[7]。

多层焊时，除第一层和最后一层焊缝外，每层都要锤击。第一层不锤击是为了避免产生根部裂纹，最后一层焊缝通常焊得很薄，主要是为了消除由于锤击而引起的冷作硬化。

(4)利用火焰法控制焊接残余变形

利用火焰对焊件进行局部加热时产生的塑性变形, 使较长的金属在冷却后收缩, 以达到矫正变形的目的称为火焰加热矫正法。火焰加热矫正法矫正焊件残余变形时要注意以下事项[7]：

①加热用火焰通常采用氧乙炔焰，火焰性质为中性焰，如果要求加热深度小时，可采用氧化焰。

②对于低碳钢和低合金结构钢，加热温度为600 ℃～800 ℃，此时焊件呈樱红色。

③火焰加热的方式有点状、线状和三角形三种，其中三角形加热适用于厚度大、刚性强的焊件。

④加热部分应该是焊件变形的突出处，不能是凹处，否则变形将越矫越严重。⑤矫正薄板结构的变形时，为了提高矫正效果，可以在火焰加热的同时用水急冷，这种方法称为水火矫正法。对于厚度较大而又比较重要的构件或者淬硬倾向较大的钢材，不可采用水火矫正法。

⑥夏天室外矫正，应考虑到日照的影响。因为中午清晨的加热效果往往不样。⑦薄板变形的矫正过程中，可同时使用木锤进行锤击，以加速矫正效果。火焰成形基本上采用线状加热，按照按照工艺方法的不同可分为三种：(1)不用水冷的火焰加热，简称空冷。(2)采用正面跟踪水冷的火焰加热法，简称正冷。(3)采用背面跟踪水冷的火焰加热法，简称背冷。

三种线状加热方法具有不同的特点：(1)角变形效果以背冷最大，空冷次之，正冷最小。(2)横向收缩效果一背冷最大，正冷次之，空冷最小。4发展趋势

随着技术和工艺的进一步发展，现在我们又提出了许多更进一步的能够减少和改善残余变形的工艺方法。这些工艺以及一些还未提出的工艺的宗旨都是为了尽量降低焊接残余变形以及对不引起残余变形的追求。以尽可能简明的设计，尽可能少的工艺，尽可能短的焊接焊缝，更加自动化、智能化的操作，减少焊接对于工件变形的影响。

下面介绍几种新的调整和控制焊接残余变形的方法。

预拉伸法[8]：这种方法是机械拉伸法的扩展。在平板对接焊之前，在焊缝两侧对平板施加一个与焊接方向平行的拉伸载荷，使平板在受载的情况下进行焊接。这种方法由于预先施加拉伸载荷，在焊接热输入的作用下，焊缝附近的材料较早处于屈服状态，使平板焊缝在塑形状态下被拉伸延展，因此可以抑制平板的纵向收缩变形。并且焊后去除拉伸载荷，平板内的纵向残余应力可以降低，其降低幅度与与拉伸载荷相当。

焊时温差拉伸：这种方法是焊后温差拉伸法的扩展。平板对接焊时，采用专门的工装夹具，在焊缝下方放置一个空腔内通以冷却水的铜垫板，在焊缝两侧用电加热带加热，这样就会在焊缝附近造成一个马鞍形的温度场。在这种条件下进行焊接，马鞍形温度场的高温区(焊缝两侧)膨胀，会对温度相对较低的焊缝区施加拉伸作用，使焊缝的纵向收缩得到抑制，因此可以降低残余应力和减小变形。

随焊激冷法：又称为逆焊接加热法，是利用与焊接加热过程相反的方法，采用冷却介质使焊接区获得比相邻区域(母材)更低的负温度，在冷却过程中，焊接区由于受到周围金属的拉伸而产生伸张塑性变形，从而抵消焊接过程中形成的压缩塑性变相，达到消除残余应力的目的。5结语

焊接技术的发展随着技术的革新，会越来越先进，国外的同行在机械制造业确实要相对国内发展的更加精细，我们要学会“拿来主义”，同国外同行多交流，尽量减少自己走弯路的可能，同时要在借鉴的基础之上，发展和创新。相信中国的焊接技术会逐步的走向世界先进行列乃至领先世界同行业。参考文献

[1]田锡唐.焊接结构[M].北京:机械工业出版社,1982.1-2.[2]奥凯尔勃洛姆.焊接应力与变形[M].雷原译.北京:中国工业出版社, 1958.30-78.[3]田锡唐.焊接结构[M].北京:机械工业出版社,1982.5-18.[4]霍立兴.焊接结构工程强度[M].北京:机械工业出版社,1995.26-36.[5]沙慧丽.防止和减少焊接残余变形与应力的措施[J].职业.山东济宁技术学院,2009,(5).[6]吴居登,施建章.从装焊顺序入手来控制焊接残余变形的方法和应用[J].中国修船,2001,(6).[7]使用火焰法、机械拉伸法、锤击焊缝区来控制焊接残余变形[J].电焊机, 2008,(02)

[8]方洪渊.焊接结构学[M].北京:机械工业出版社,2008.121-122.