毕业设计（论文）-低合金钢T型接头焊接变形的测量与计算.doc

（ 二二 一一 一一 年年 六六 月月 专科毕业论文专科毕业论文 题题 目目： 低合金钢低合金钢 T T 型接头焊接变形的测量与计算型接头焊接变形的测量与计算 学学生生姓姓名名 ： 学学 院院 ： 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 系系 别别： 材材 料料 成成 型型 与与 控控 制制 工工 程程 专专 业业：焊焊接接技技术术及及其其自自动动化化 班班 级级：焊焊职职08-2 指指导导教教师师 ： 内蒙古工业大学专科毕业论文 摘摘 要要 焊接由于工艺过程中高度集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后不可避免地 会 产生焊接应力和变形，而焊接变形会对结构的外观、承载能力、服役性能等方面产 生诸多不利的影响，因此对焊接残余变形量进行分析和估算具有很重要的现实意义。 本文以 T 型构件作为研究对象，制定未开坡口或开坡口试件的焊接工艺，分析焊接 变形的影响因素，尤其是对工艺过程中的焊接热输入做重点探讨；对 T 型构件焊缝 的纵向收缩进行实测，推导变形量的计算公式，在科学简化的基础上进行了计算， 并将估算值与实测值进行对比。实验结果表明所选用的焊接规范参数符合实际焊接 要求，计算公式得当，其焊接工艺与变形的计算方法能够为生产实际提供理论依据。 关键词关键词：T 型接头；焊接变形；热输入 内蒙古工业大学专科毕业论文 Abstract Welding is a reliable and effective method of material connecting, so it is widely applied to various industries. The presence of residual deformation affects not only the structure of the dimensional accuracy and appearance, and may reduce its carrying capacity and mechanical performance, so welding distortion prediction and control is very important. With the computer and the development of finite element analysis, computer simulation of mechanical behavior of the welding process to become an essential way, the use of inherent strain method to predict welding deformation is a typical example. In this paper, T-welded components for the study, analysis and forecasting using the inherent strain method T-welded components transverse contraction and longitudinal contraction. Focus on the inherent strain analysis method and computer application process were studied. Key words: T-joint Welding distortion Heat input 内蒙古工业大学专科毕业论文 目 录 引 言.1 第一章 焊接变形及其影响因素.3 1.1 焊接变形产生的原因 .3 1.2 焊接变形的分类及其之间的关联 .4 1.3 焊接变形的影响因素 .7 1.3.1 材料因素的影响.7 1.3.2 结构设计因素的影响 .7 1.3.3 焊接方法的影响 .8 1.3.4 焊接层数的影响 .8 1.3.5 接头型式的影响 .8 1.3.6 焊缝截面积对焊接变形的影响.9 1.4 预防和控制焊接变形的方法 .9 1.4.2 间断焊接.10 1.4.3 减少不必要的焊道 .11 1.4.4 反变形法 .11 1.4.5 刚性固定法 .11 1.4.6 锤击焊缝法 .11 第二章 T 型构件焊接工艺及焊接变形测试 .12 2.1 试件的材料及尺寸 .12 2.2 材料的成分及性能 .12 2.3 焊接工艺参数的选择 .13 2.4 焊接步骤 .16 2.5 焊接变形的测量与结果 .17 第三章 变形的计算.17 3.1 焊接变形计算方法 .17 3.1.1 解析法 .18 3.1.2 热弹塑性有限元法 .19 3.2 固有应变法 .20 3.2.1 固有应变 .20 内蒙古工业大学专科毕业论文 3.2.2 固有应变法焊接变形的解析法.22 3.3 试件焊接变形的计算 .23 3.4 计算值与实测值得比较 .23 3.5 分析实验的误差原因 .23 参考文献.26 谢 辞.28 内蒙古工业大学专科毕业论文 1 引 言 焊接作为一种灵活高效的连接方式广泛的应用于桥梁、船舶、建筑、航空、压 力容器等制造业，随着我国钢结构产业的高速发展，焊接技术在钢结构工程中得到 大量的应用，在工农业的各个生产部门，焊接结构遍布于国民经济的各个领域。从 民间交通到火箭导弹等运载工具，从农业机械到各种精密机械和重型及其处处皆有。 然而，随之而来的焊接结构残余变形也一直困扰着焊接界，此现象也成为人们密切 关注的焦点。焊接变形的存在不仅造成了焊接结构形状变异，尺寸精度下降和承载 能力降低，而且在工作载荷作用下引起的附加弯矩和应力集中现象是焊接结构早期 失效的主要原因，也是造成焊接结构疲劳强度降低的原因之一。这些缺陷的产生主 要是焊接时不合理的热过程引起的。由于高度集中的瞬时热输入，在焊接过程中和 焊后将产生大的残余应力(焊接残余应力)和变形(焊接残余变形、焊接收缩、焊接翘 曲)，焊接过程中产生的动态应力和焊后残余应力影响构件的变形和焊接缺陷，而且 在一定程度还影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。因此，在设计和施工时必须充 分考虑焊接应力和变形的特点。 焊接是将金属材料连接成构件的最重要的方法，无论添加或不添加填充金属， 包括表面堆焊焊缝，大多数焊接过程的技术核心是被连接表面的熔化，随后是连续 的冷却，局部热输入形成局部熔化，同时尽可能的减少向构件内部的热扩散和向周 围环境的热散失，焊接过程是一个不均匀的、快速地加热和冷却的过程 。其中熔化 焊接时，被焊金属在热源作用下发生局部加热和熔化，材料的力学性能也会发生显 著的变化，而焊接热过程也直接决定了焊缝和热影响区焊后的显微组织、残余应力 与变形大小，所以焊接热过程的准确计算和测定是焊接应力和变形分析的前提。为 使其简单化，实际中常用焊接性的概念作为一种分类系统，将焊接分解为热力学、 力学和显微结构等过程，从而降低了焊接性各种现象的复杂性。焊接过程中以及焊 后结构都将不可避免地产生焊接变形 ，而这些变形焊接施工中最麻烦也是最难处理 的问题之一 。焊接变形的存在不仅影响结构的尺寸精度和外观,而且有可能降低其 承载能力和机械性能， 更重要的是容易引起焊接结构的失稳 。 在焊接过程中，焊接变形的存在不仅影响焊接结构的制造过程，焊接变形甚至 会严重影响制造过程、焊接结构的使用性能、焊接接头的抗脆断能力、疲劳强度、 内蒙古工业大学专科毕业论文 2 抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂能力。因此对焊接变形的分析和对焊接变形量的估 算具有重要意义。 本文分为三章，第一章介绍焊接变形产生的原因及影响因素，并分析了焊接变 形的种类及各类之间的关联；第二章以 T 型焊接构件为研究对象，制定焊接工艺， 并对焊缝的纵向收缩进行实测；第三章论述了焊接变形的估算，并将估算值与实测 值进行对比，以便为生产实践提供理论依据。 内蒙古工业大学专科毕业论文 3 第一章 焊接变形及其影响因素 1.1 焊接变形产生的原因 焊接接应力和变形是由多种因素交互作用而导致的结果。通常，若仅就其内拘 束度的效应而言，焊接应力与变形可表诉如下。焊接热输入引起材料不均匀局部加 热，使焊缝区溶化；而与熔池毗邻的高温区材料热膨胀则受到周围材料的限制，产 生不均匀的压缩塑性变形；在在冷却过程中，已已发生压缩塑性变形的这部分材料 又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，在不同程度上又被拉伸而卸载；与此同 时，熔池凝固，金属冷却收缩使也产生相应的收缩拉应力与变形。这样，在焊接接 头区产生了缩短的不协调应变。焊接变形产生的原因有以下几种： （1）不均匀的局部加热和冷却是最主要原因。焊接时，试板的局部被加热到熔 化状态，形成了试板上温度的不均匀分布区，使试板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。在靠 近焊缝一侧高温区受到热压力作用，而在远离焊缝一侧受到热拉应力的作用。当被 加热金属受到的压应力超过其屈服点时，就会产生塑性变形。试板冷却时，由于焊 缝先后冷却时间不同，先焊的先冷却凝固，存在一定强度，阻止了后焊的焊缝在横 向的自由膨胀，使其产生横向压缩变形。后焊的焊缝冷却时，横向收缩受到阻止， 而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力。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。 （2）焊缝金属及焊接热影响区的组织发生变化。焊缝及焊接热影响区金属在焊 接时加热到熔点或固态相变温度以上，冷却过程中其金属组织要发生变化。由于各 种组织的比容不同，因此随之发生体积的变化。 （3）钢结构刚性不大时，焊缝在结构中对称布置，施焊程序合理时只产生线性 缩短；当焊缝布置不对称时，还会产生弯曲变形；焊缝截面重心与接头截面重心在 同一位置上时，只要施焊程序合理，只产生线性缩短；当焊缝截面重心偏离接头截 面重心时，还会产生角变形。焊缝数量越多，变形越大。 （4）构件点焊成形后，应根据构件的不同几何尺寸、形状制定出正确的焊接工 艺流程，此项工作对控制焊接变形关系重大，大部分变形量是由于焊接工艺不正确 所造成，如焊接电流大、焊条直径粗、焊接速度慢等，均会造成焊接变形大。多层 内蒙古工业大学专科毕业论文 4 焊时，第一层焊缝收缩量最大，层数越多焊接变形也越大。断续焊缝比连续焊缝的 收缩量小，焊接次序不当或未先焊好分部构件，然后总拼装焊接，都易产生较大的 焊接变形，所以在施工时要制定合理的焊接工艺措施是很重要的。 1.2 焊接变形的分类及其之间的关联 焊接变形一般按照变形的特点分为以下7 类： 1） 横向收缩 由于移动热源(焊接电弧)的加热和随后的冷却，使得温度垂直于被焊 构件的长度和厚度方向不均匀分布，即在焊接接头区产生残余的横向收缩塑变和横 向应力。横向收缩的形成原因，一部分是由于焊缝金属冷却后的收缩，另一部分是 焊缝金属热膨胀受阻形成横向残余塑性变形而引起的。 横向收缩变形及其产生的挠曲变形。 横向变形的大小与焊接线能量和板厚有关，随着焊接线能量的提高，横向收缩 量增加；随着板厚的增加，横向收缩量减少。横向变形沿焊缝长度上的分布并不均 匀。这是因为先焊的横向收缩对后焊的焊缝产生一个挤压作用，使后者产生更大的 横向压缩变形。因此，焊缝的横向收缩沿着焊接方向是由小到大逐渐增长的，到一 定程度后趋于稳定。另外，采用埋弧自动焊时横向收缩量比板厚相近的手工电弧焊 的横向收缩变形量小，采用气焊时横向收缩量比手工电弧焊的横向收缩量大。如果 横向焊缝在结构上分布不对称，那么它的横向收缩也能引起结构的挠曲变形。 2） 纵向收缩 在焊接时，由于沿焊缝方向不均匀的温度分布，焊缝及其附近的金 属产生了纵向压缩残余塑性变形。产生塑性变形的区域称为塑性变形区。构建纵向 收缩的变形的大小取决于塑性变形区的大小，构建截面积，焊接线能量以及焊缝的 长度。由于塑性变形区的收缩受到周围金属的阻碍，所以相对来说纵向收缩不如横 向收缩显著。理论认为纵向收缩量大约为焊缝长度的11000。 纵向收缩变形以及由它所引起的挠曲变形。纵向收缩变形量的大小主要取决于 构件的长度、截面积和压缩塑性变形的大小。而压缩塑性变形与焊接参数、焊接方 法、焊接顺序以及材料的热物理参量有关。在这些工艺因素中，焊接线能量 （Q=q/v，q 为能量，v 为焊接速度）是主要的。在一般情况下，纵向收缩变形与焊 接线能量成正比的关系。对于同样截面积的焊缝来讲，多层焊每次所用的焊接线能 量比单层焊时小得多，所以多层焊时引起的纵向收缩比单层焊小。分的层数越多， 每层所用的线能量就越小，变形也越小。同理，间断焊的纵向收缩变形要比连续焊 内蒙古工业大学专科毕业论文 5 时小得多。当焊缝在构件中的位置不对称时，焊缝引起的应力就是不均匀的，这样 它不但使构件缩短，同时还使构件弯曲，产生挠曲变形。纵向收缩和横向收缩的图 示如图1-1。 图1-1 横向收缩和纵向收缩 3）挠曲变形 构件焊后在外形上发生挠曲。主要是因为两侧焊缝收缩变形量的 同，或一边产生收缩变形而另一边保持不变而引起的，见图1-2。 图1-2 挠曲变形 4） 角变形。焊后构造的平面围绕焊缝缝产生的角位移。主要是由于沿板厚方向焊 缝收缩变形量的不同造成。 在堆焊、对接、搭接和丁字接头的焊接时，由于横向收缩变形在厚度方向上的 不均匀分布，往往会产生角变形。角变形的大小取决于构件的压缩塑性变形的大小 和分布情况，同时也取决于板的刚度。对于同一种板厚，随着焊接线能量的增加， 正反两面塑性变形量的差值将增加，角变形量也将增加。但当线能量达到某一值时， 角变形不再上升，如果进一步提高线能量，反而会出现角变形减小的现象。这是因 为线能量的进一步提高，使得板背面的温度随着提高，正反两面的塑性变形量的差 值可能降低，所以角变形反而减少。对于同样的板厚和坡口形式，多层焊比单层焊 角变形大，焊接层数越多，角变形越大。另外多道焊比多层焊的角变形要大，角变 内蒙古工业大学专科毕业论文 6 形的图示如图1-3. 图1-3角变形 5） 波浪变形。构件的焊接后呈波浪状的变形，主要出现在薄钢板的焊接中，是由 于薄钢板焊后存在焊缝内应力，在内应力作用下，使薄板失稳，形成波浪变形。 波浪变形一般在薄板焊接时出现较多。这是因为在薄板焊接时，由于焊接应力 的作用，薄板可能发生失稳（薄板在承受压力时，当其中的压应力达到某一临界数 值时，薄板将因出现波浪变形而丧失承载能力，这种现象通常称为失稳），从而产 生波浪变形。降低波浪变形可以从降低压应力和提高临界应力两方面着手。因压应 力的大小和拉应力的区域大小成正比，故减小塑性变形区就可能降低压应力的数值。 CO2 气体保护焊所产生的塑性变形区比气焊和手工电弧焊小，断续焊比连续焊小， 接触点焊比熔化焊小，小尺寸的焊缝比大尺寸的焊缝小。因此，采用塑性变形区小 的焊接方法和措施就可以减少波浪变形，见图1-4. 图1-4 波浪变形 6）错边变形。焊后两焊接件在长度方向和厚度方向的错位现象，称为错边变形。主 要是焊接过程中两焊接件的受热不均匀造成的。 焊接过程中对接边的热不平衡是造成焊接错边的主要原因。另外焊接件的两边刚 度不同也会造成错边，因为刚度越大的焊接边的位移越小，造成两边在焊接中不同 步位移，从而产生错边，见图1-5。 内蒙古工业大学专科毕业论文 7 图 1-5 错边变形 7） 螺旋形变形。焊件在结构上出现的扭曲变形。主要是由于焊缝角变形沿长度上 的分布不均匀和工件的纵向错边造成的。 产生螺旋形扭曲变形的主要原因是由于焊缝角变形沿长度上的分布不均匀性和 工件的纵向错边造成的。这种变形在较长梁形构件焊接时比较常见，见图1-6. 图1-6 螺旋型变形 1.3 焊接变形的影响因素 1.3.1 材料因素的影响 材料对于焊接变形的影响不仅和焊接材料有关，而且和母材也有关系，材料的 热物理性能参数和力学性能参数都对焊接变形的产生过程有重要的影响。其中热物 理性能参数的影响主要体现在热传导系数上，一般热传导系数越小，温度梯度越大， 焊接变形越显著。力学性能对焊接变形的影响比较复杂，热膨胀系数的影响最为明 显，随着热膨胀系数的增加焊接变形相应增加。同时材料在高温区的屈服极限和弹 性模量及其随温度的变化率也起着十分重要的作用，一般情况下，随着弹性模量的 增大，焊接变形随之减小而较高的屈服极限会引起较高的残余应力，且峰值应力和 平均应力均较高，焊接结构存储的变形能也会因此而增大，从而可能促使脆性断裂， 此外，由于塑性应变较小且塑性区范围不大，因而焊接变形得以减小。 1.3.2 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。其总体原则是 内蒙古工业大学专科毕业论文 8 随拘束度的增加，焊接残余应力增加，而焊接变形则相应减少。结构在焊接过程中， 工件本身的拘束度是不断变化着的，因此自身为变拘束结构，同时还受到外加拘束 的影响。一般情况下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，而且在某些区域，如筋板、加强板等，拘束度发生较大的变化， 给结构的焊接变形分析与控制带来了一定的困难。因此，在结构设计时针对结构板 的厚度及筋板或加强板的位置、数量等进行优化，对减小焊接变形有着十分重要的 作用。 1.3.3 焊接方法的影响 多种焊接方法的热输入差别比较大，如在钢结构焊接常用的几种焊接方法中， 在其他条件如焊缝断面积等相同情况下，除电渣以外，埋弧焊热输入比较大，收缩 变形比较大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。 1.3.4 焊接层数的影响 以纵向收缩为例，多层焊接时，每层焊缝的热输入比一次完成单层焊的热输入 小得多，塑性变形区范围窄。冷却快，产生的收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成 后都对下层焊缝形成约束，因此，多层焊接时的纵向收缩变形比单层焊时要小很多， 而且焊的层数越多，纵向变形越小。 1.3.5 接头型式的影响 在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方面等因素条件相同时，不同的接头形式对 纵向横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。 1)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，因此， 变形相对较小。 2)T 形角接接头和搭接接头时，其焊缝横向收缩情况与堆焊相似，其横向收缩值与 角焊缝面积成正比，与板厚成反比。 3)对接接头在单道(层)焊的情况下，其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大在单面焊时坡 内蒙古工业大学专科毕业论文 9 口角度大。板厚上、下收缩量差别大，因而角变形较大。双面焊时情况有所不同， 随着坡口角度和间隙的减小，横向收缩减小，同时角变形也减小。 1.3.6 焊缝截面积对焊接变形的影响 焊缝截面积焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝截面积越大，冷却 时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝截面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一 致的，而且是主要的影响因素，因此，在被焊接件厚度相同时，坡口尺寸越大，收 缩变形越大。 总结以上诸多影响因素，归根于热输入的影响。当热量输入大时，加热的高温 区范围就大，而焊接后冷却速度却比较慢，致使焊接头的塑性变形区增大。所以应 尽可能采用小的焊接热输入，从而保证焊接应力和变形均较小。对于焊接材料的影 响，当材料的热传导系数越小，温度梯度越大，则焊接热输入越大，因此引起的焊 接变形越显著。对于焊接方法的选择，主要看焊接方法的热输入的影响，因为多种 焊接方法的热输入差别比较大，如在钢结构焊接常用的几种焊接方法中，除电渣以 外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝断面积等相同情况下，收缩变形最大， 手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。在考虑焊接层数时，多层焊接中每层焊缝 的热输入比一次完成单层焊的热输入小得多，塑性变形区范围窄。冷却快，产生的 收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束，因此，多层焊接时 的纵向收缩变形比单层焊时要小很多，而且焊的层数越多，纵向变形越小。 1.4 预防和控制焊接变形的方法 预防和控制焊接变形的方法必须考虑焊接工艺设计以及在焊接时克服冷热循环 的变化。收缩无法消除，但可以控制。减少收缩变形的途径有以下几方面。 1.4.1不能过量焊接 越多的金属填充在焊接点会产生较大的变形力。正确制定焊缝尺寸，不仅能得 到较小的焊接变形，还可节省焊材和时间。填充焊缝的焊接金属量应最小，焊缝应 呈平坦或微凸形，过量的焊接金属不会增加强度，反而会增加收缩力，增加焊接变 形，如图1-9. 内蒙古工业大学专科毕业论文 10 图 1-9 避免过量焊接 通常，焊接变形不作为“问题”时，选择常规的焊接接头最经济；变形量较大时， 则应选择接头形式以平衡焊接应力和焊接金属填充量，如图1-10. 图 1-10 破口形式和定位 1.4.2 间断焊接 另一种减少焊缝填充量的途径是较多地采用间断焊接(见图1-11)。如焊接加强板， 间断焊接可减少75的焊缝填充量，同时也能保证所需强度。 内蒙古工业大学专科毕业论文 11 图 1-11 间断焊接 1.4.3 减少不必要的焊道 采用粗焊丝、少焊道焊接比采用细焊丝、多焊道焊接变形小(见图 1-12)。多焊 道时每一焊道引起的收缩累计增加了焊缝总的收缩。由图 1-12 可知，少焊道、粗焊 条焊接 T 艺比多焊道、细焊条焊接的工艺效果更好。 注意：采用粗焊丝、少焊道焊接或细焊丝、多焊道焊接工艺依据材质而定，一般低 钢、Q345等材质适用粗焊丝、少焊道焊接，不锈钢、高碳钢等材质适用细焊丝、多 焊道焊接。 图 1-12 粗细焊丝焊道数对比 1.4.4 反变形法 此法是生产中最常见的一种方法，而预先把焊件做基本抵消(补偿)焊后弯曲的 反变形，来达到防止焊后变形的目的。 1.4.5 刚性固定法 在实际制作中，对于刚性大的构件焊后变形一般较少，对刚性小的构件可在焊 前加强构件刚性，焊后变形也相应减少。在采用这种方法时，必须等焊接构件冷却 后再把夹具和支撑卸去，几种常见的方法有夹具法、支撵法、胎具法、临时固定法 (如钉焊固定法和压紧固定法)、定位焊接法。 1.4.6 锤击焊缝法 此法主要适用于薄板的焊接。当薄板的焊缝及其热影响区还没有完全冷却时，立 即对该区域进行锤击。对于厚板则用风枪敲击。这种处理一方面消除和减少了焊接 引起的角变形；另一方面由于敲击对该区域有一定的延伸作用，减少内应力。如焊 内蒙古工业大学专科毕业论文 12 工焊完一根焊条后马上用一把约05千克的木锤敲击焊缝。这种敲击当焊缝温度越 高时锤击的效果越好。 内蒙古工业大学专科毕业论文 13 第二章 T 型构件焊接工艺及焊接变形测试 2.1 试件的材料及尺寸 本文提出的T型接头试件中各个待定参数的经验公式，以及整体修正系数的经验 公式，都是针对低合金钢材料。为了便于实验结果与预测结果对比验证，此处T形接 头焊接试件材料也选Q345低合金钢。 表 2-1 材料尺寸 试件材料16Mn 试件尺寸250*67*10mm 试件数量2 试件均有坡口，示意图如 2-1： 图 2-1 试件坡口形式 2.2 材料的成分及性能 材料的化学成分、力学性能及物理参数如表 2-2、2-3、2-4.： 表 2-2 材料的化学成分 钢号化学成分% CSiMnPS 16Mn 0.12-0.200.20-0.551.20-1.600.045 0.045 内蒙古工业大学专科毕业论文 14 表 2-3 材料的力学性能 钢号板厚状态s/Mpab/Mpa5/%Akv/J时效冲击（J/cm2） 16Mn16 热轧 250510-6602227 29 表 2-4 材料的热物理性能 钢号温度20100200300400500 弹性模量 E/Mpa 2.06*10 5 2.01*10 5 1.81*10 5 1.62*10 5 切变模量 G/Mpa7.9*1047.5*1047.2*104 导热系数 /W(M*K)-153.1851.0847.7443.9739.5736.04 线膨胀系数 /mm(mm*)-11.4*10-5 比热容 J/(kg.K)450 密度 kg/m37870 16Mn 泊松比0.31 2.3 焊接工艺参数的选择 手工电弧焊主要的工艺参数是焊接电流，电弧电压和焊接速度，其次是焊条直 径接头形式等。 1. 焊接电流 焊接电流是手工电弧焊最重要的工艺参数，它直接决定焊条熔化速度、焊缝熔 深和母材熔化量的大小。 增大焊接电流使电弧的热功率和电弧力都增加，因而焊缝熔深增大，焊条熔化 量增加，有利于提高焊接生产率。在给定焊接速度的条件下，如果焊接电流太大， 焊缝会因熔深过大而熔宽变化不大造成成型系数偏小。这样的焊缝不利于熔池中气 体及夹杂物的上浮和逸出，容易产生气孔、夹渣及裂纹等缺陷，严重时还可能烧穿 焊件。太大的电流也使焊条消耗增加，导致焊缝余高过大。电流太大还使焊缝热影 响区增大并可能引起较大焊接变形。焊接电流减小时焊缝熔深减小，生产率降低。 如果电流太小，就可能造成未焊透，电弧也不稳定。 2.电弧电压 内蒙古工业大学专科毕业论文 15 电弧电压与电弧长度成正比。电弧电压主要决定焊缝熔宽，因而对焊缝横截面 形状和表面成形有很大影响。 提高电弧电压时弧长增加，电弧斑点的移动范围增大，熔宽增加。同时，焊缝 余高和熔深略有减小，焊缝变得平坦。电弧斑点的移动范围增大后，使焊条熔化量 增多，因而向焊缝过渡的合金元素增多，可减小由焊件上的锈或氧化皮引起的气孔 倾向。当装配间隙较大时，提高电弧电压有利于焊缝成形。但电弧电压太高，对接 焊时会形成“蘑菇形”焊缝，容易在焊缝内产生裂纹；角焊时会造成咬边和凹陷焊缝。 如果电弧电压继续增加，电弧会突破焊剂的覆盖，使融化的液态金属失去保护而与 空气接触，造成密集气孔。降低电弧电压可增强电弧的刚直性，能改善焊缝熔深， 并提高抗电弧偏吹的能力。但电弧电压过低时，会形成高而窄的焊缝，影响焊缝成 形并使脱渣困难；在极端情况下，熔滴会使焊条与熔池金属短路而造成飞溅。 因此，手工电弧焊时适当增加电弧电压，对改善焊缝形状、提高焊缝质量是有 利的，但应与焊接电流相适应。 3.焊接速度 焊接速度对熔宽、熔深有明显影响，它是决定焊接生产率和焊缝内在质量的重 要工艺参数。不管焊接电流与电弧电压如何匹配，焊接速度对焊缝成形的影响都有 着一定的规律。在其他参数不变的条件下，焊接速度增大时，电弧对母材和焊条的 加热减少，熔宽、余高明显减小；与此同时，电弧向后方推送金属的作用加强，电 弧直接加热熔池底部的母材，使熔深有所增加。当焊接速度增大到 40m/h 以上时， 由于焊缝的线能量明显减少，则熔深随焊接速度增大而减小。 焊接速度的快慢是衡量焊接生产率高低的重要指标。从提高生产率的角度考虑， 总是希望焊接速度越快越好；但焊接速度过快，电弧对焊件的加热不足，使熔合比 减小，还会造成咬边、未焊透及气孔等缺陷。减小焊接速度，使气体易从正在凝固 的熔化金属中逸出，能降低形成气孔的可能性；但焊速过低，则将导致熔化金属流 动不畅，易造成焊缝波纹粗糙和夹渣，甚至烧穿焊件。 4 焊条直径 焊条直径的选择取决于工件的厚度及结构的尺寸、接头形式、焊缝的空间位置 以及焊道层次等因素。一般当工件较厚时，采用较大直径的焊条，但板厚的对接接 头坡口内，第一层焊接时要选用较细的焊条；平焊时，由于允许使用较大的焊接电 流，焊条直径可大些。焊接接头形式雷同，选用的焊条直径也应有所不同。立焊、 横焊和仰焊时，宜选用较小直径的焊条。对于根部不要求完全焊透的不开坡口的角 内蒙古工业大学专科毕业论文 16 接、搭接、及 T 形接头的焊缝可参照表 2-5 选取。对于要求完全均匀焊透的不开坡 口的角接、对接及 T 形焊透的角接、对接及 T 形焊缝，在焊接底层时应用小直径的 焊条，即使是厚板的焊接，最好采用直径 3.2mm 以下的焊条焊接，这样能保证焊透 及良好的背面成形。 表 2-5 焊条直径和板厚关系 5 接头形式 见图 2-2 图 2-2 T 型接头形式 经过分析，最终确定的焊接规范参数见表 2-6： 工件厚度 /mm =44-1010-14=14 焊条直径 /mm =板厚3-44-5=4 内蒙古工业大学专科毕业论文 17 表 2-6 焊接工艺参数 焊条牌号 焊条直径 (mm) 焊接电流 (A) 焊接电压 (V) 焊接速度 (cm/s) 热输入(KJ/cm) 一层 J5073.2100 24 0.17 1.05 二层 J5073.2120 24.8 0.26 0.86 三层 J5073.2120 24.8 0.15 1.98 2.4 焊接步骤 本次实验采用的焊接方法是手工电弧焊，焊丝直径2.0mm，数控机床切割钢板 试件。焊接步骤如下： 1. 焊前准备:试件有一块开K形坡口，坡口角度为55度。焊前，对焊件进行清理，先 用丙酮清洗油污，然后用直径小于0.15mm不锈钢钢丝刷对坡口及其两侧来回刷 几次，并用刮刀将坡口清理干净。 2. 焊接材料的选用：焊条采用J507。 3. 将腹板和面板用点焊定位，置于水平工作平台，用游标卡尺测量试件尺寸并做记 录； 4. 在T形接头的面板上标识出各个位移测点的位置和编号，以及面板与腹板的交线； 5. 焊接时，由焊接技工采用手工电弧焊法，根据经验选择焊接电流和电压，并自行 控制和保持平稳的焊接速度。记录焊机上显示的电流读数，并用秒表记录焊接一 定长度焊缝花费的时间。 6. 焊接完全冷却以后，再次测量试件焊接后的尺寸，并做记录。 内蒙古工业大学专科毕业论文 18 图2-3 焊接试件 2.5 焊接变形的测量与结果 此次试验是考虑平板的横向收缩与纵向收缩，立板的变形不进行测量与计算。两组 试件的实际变形测量值如表 2-7 和 2-8： 焊接变形的测量 表 2-7 一号试件的变形量测量数值 表 2-8 二号时间的变形量测量数值 纵向L 的测量数据 单位 （mm） 位置原始长度一层焊后二层焊后三层焊后L 平板 AA227.75 227.20 227.15 227.00 0.75 平板 BB227.90 227.30 227.25 226.95 0.95 平板 CC227.45 226.80 226.75 226.40 1.05 横向B 的测量数据单位(mm) 位置原始长度一层焊后二层焊后三层焊后B 平板 aa49.50 49.00 48.75 49.00 0.50 平板 bb49.50 49.20 49.05 49.00 0.50 平板 cc50.20 49.75 49.70 49.60 0.60 内蒙古工业大学专科毕业论文 19 第三章 变形的计算 3.1 焊接变形计算方法 在焊接结构的生产和使用中，焊接变形的预测具有重要意义，但是焊接过程和 焊接构件的复杂性，在实际生产中，对焊接变形的预测还是较为困难。国内外学者 对焊接变形的进行了大量的研究，得出了一些预测焊接变形的方法。这些方法归纳 起来可分为三类：经验法，解析法和数值模拟法。经验法是通过查找焊接手册上的 经验公式和数据曲线来估计焊缝的收缩量和角变形量。这些经验数据是在一定条件 下的试验或生产实际中得到的，且针对最简单的情况，存在相当的局限性。二十世 纪四十年代，前苏联的奥凯尔勃洛姆对焊接残余应力和变形的起因和分类进行了研 究，建立了确定焊接残余应力和变形的理论方法。后来的研究者们基于该理论，提 出了以残余塑变来计算焊接变形的解析法。由于该方法是建立在平截面假定和其它 一些假定的基础之上的，故只能适用于一些简单的焊接构件，如简单梁板的焊接收 缩变形和角变形。焊接数值模拟的发展是从解析法开始的。特别是近年来，随着数 值计算技术的发展，逐步过渡到有限差分法和有限单元法。在近几年的发展中，随 着有限元软件的开发及其良好的使用效果，有限元法已占据了主导地位。近年来， 数值模拟已经成为焊接研究方面的主要手段。 纵向L 的测量数据 单位 （mm） 位置原始长度一层焊后二层焊后三层焊后L 平板 AA213.60 213.40 213.25 213.20 0.40 平板 BB213.75 213.45 213.40 213.15 0.80 平板 CC213.75 213.45 213.45 212.95 0.80 横向B 的测量数据单位(mm) 位置原始长度一层焊后二层焊后三层焊后B 平板 aa47.70 47.35 47.45 47.40 0.30 平板 bb46.75 46.60 46.70 46.60 0.15 平板 cc46.75 46.35 46.35 46.30 0.45 内蒙古工业大学专科毕业论文 20 3.1.1 解析法 解析法又叫弹性理论方法，用解析法研究焊接变形始于 20 世纪 50 年代，是基 于经典弹性理论的研究，忽略了热弹塑性过程。包括固有应变理论，转位论等， 均是以弹性理论来求出焊接变形量，其代表人物是 Watanabe。二十世纪四十年代， 苏联的 HO奥凯尔布朗母用图解的形式提出了一维解析残余塑变法。后来， CA 库茨米诺夫就在此理论上作了进一步的发展，并形成了一个较完整的理论体 系。Watanabe 和 Satoh 从分析焊接条件对试板收缩变形的影响入手，分析了焊接热 输入和外部约束与收缩变形的关系，并得出相应的简单关系式。 解析法只考虑了残余塑性应变，并假设所有区域(包括固有应变区)都保持弹性。 这种方法把焊接构件与固有应变分布以数学方式理想化，这也正暴露了解析法的缺 点，如弹性理论问题的解决是有限的，对于大型复杂结构来讲是不可能求解的。为 了正确了解固有应变的分布，人们提出了实验方法和热弹塑性分析法，即以实验 结果和热弹一塑性分析结果为基础，来求出固有应变的方法。固有应变的大小和区 域应该通过实验结果来获得，说明解析法有较低的应用价值，但是为之后出现的数 值分析法和等效载荷法打下了重要的基础。 3.1.2 热弹塑性有限元法 焊接数值模拟的理论意义在于通过对复杂或不可观察的焊接现象进行模拟和对 极端情况下尚不知的规则的预测，以助于认清焊接现象的本质，弄清焊接过程的规 律。焊接数值模拟的现实意义在于根据对焊接现象和过程的数值模拟，可以优化结 构设计和工艺设计，从而减少试验工作量，提高焊接质量。二十世纪七十年代初， 日本的上田幸雄等首先以有限元法为基础，提出了焊接热弹塑性分析理论，从而使 复杂的动态焊接过程的应力应变分析成为可能。 随后，许多国家的研究者加入到焊 接数值模拟的研究行列，建立的数值模型从一维发展到二维，再到目前重点研究的 三维；模拟对象从简单的平板堆焊、对接焊到角焊缝，再到目前的研究热点多道焊； 研究内容从焊接接头的收缩变形到角变形，再到大型复杂焊接结构的整体变形。数 值模拟作为一种强有力的定量研究手段，不仅可以用来帮助理解焊接现象的本质， 预测残余应力和变形，国内外的研究者们还以此为工具，研究控制和减小残余应力， 优化焊缝质量的工艺方法。 内蒙古工业大学专科毕业论文 21 热弹塑性有限元法是焊接数值模拟最重要、最一般的方法，它跟踪整个焊接热 循环过程，可以同时考虑许多重要因素的影响，除了用来预测焊接残余应力和变形， 也可用以分析裂纹、疲劳、断裂等现象。热弹塑性有限元法预测焊接变形的过程为： 先进行焊接热循环分析，得到整个试板在焊接过程中任一时刻的温度场，再将温度 场输入热弹塑性有限元分析程序，进行应力和变形的分析计算。 焊接热循环温度场的准确计算是焊接应力与变形准确预测的前提。用于求解温 度场的热源模型有许多种，最早使用的是点热源、线热源和面热源，分别用于不同 形式试板的温度场解析解。这种热源形式简单，但计算结果精度差。在焊接温度场 二维分析中广泛运用的是经典的高斯热源模型，这种模型以及后来在其基础上发展 提出的双椭圆高斯热源模型都没有考虑电弧对熔池的冲击作用，对于高能束焊接存 在较大误差。1985 年 Goldak