焊接残余变形与应力预防和矫正措施

1、焊接残余变形与应力 预防和矫正措施,学习目标,知识目标： 1.识记控制焊接残余应力的措施。 2.理解控制焊接变形的方法。 能力目标： 理论联系实践，把理论应用到生产实习中,主要内容,一、防止和减少焊接残余变形与应力的措施 二、焊接残余应变的矫正及残余应力的消除,一、防止和减少措施,1.焊接结构的合理设计 合理的设计方案是控制焊接残余变形与应力的重要措施。 在焊接结构的设计时要考虑：在保证结构有足够强度的前提下，尽量减少焊缝的数量和尺寸，对称布置焊缝，必要时预先留出收缩余量，适当采用冲压结构，减少焊接结构，将焊缝布置在最大工作应力之外，留出装焊夹具的位置,2.控制焊接残余变形的工艺措施 （1）选

2、择合理的装焊顺序 采用不同的装配、焊接顺序，焊后会产生不同的变形效果。 先装配后焊接。 工字梁的两种装焊顺序。A先装配、焊接成丁字形，然后再装配另一块翼板，最后焊成工字梁。采用这种焊装顺序，焊接丁字形结构时，由于焊缝在中性轴的下方，焊后将产生较大的上供弯曲变形，即使另一块翼板焊后产生反向弯曲变形，也难以抵消原来的变形，最后工字梁形成上供弯曲变形。 B先整体装配成工字梁，然后再进行焊接，梁的刚性增加，再采用对称、分段焊接顺序，焊后上供弯曲变形就小得多,内部有大小隔板封闭箱形梁结构，不能采用先装后焊的装焊顺序，必须先制成 形梁后，才能制成箱形梁。首先将大小隔板与上盖板装配好，随后焊接焊缝1，接着按

3、图示装焊,2）采取合理的焊接顺序 1）对称焊接 如果焊接结构的焊缝是对称分布的，采用对称焊接。 工字梁，当采用1、2、3、4的焊接顺序时，虽然焊缝对称，焊后仍会产生较大的上供弯曲变形。应该注意焊接顺序，因为焊接结构的刚性会随着先焊焊缝熔覆量的增加而增大，同时所产生的变形也增大。在结构刚性增大的情况下，后焊产生的反变形不能完全抵消原先产生的变形,工字梁正确的焊接方法为： 1、2焊缝的长度分成若干段，采取分段、跳焊的对称焊接，先焊完总长度的6070%，然后翻转180焊接3、4焊缝，也采取分段、跳焊的对称焊将3、4焊缝全部焊完，再翻转试件，将1、2焊缝焊完。 这样通过先后熔覆金属的差量来控制变形,2

4、）不对称焊缝先焊焊缝少的一侧 如果焊接结构的焊缝是不对称的，采用先焊焊缝少的一侧，后焊多的一侧，使后焊的焊缝产生的变形足以抵消先前的变形，以使总体变形减小。 压力机的上模结构。如果先焊焊缝多的一侧，结构将出现总体下挠弯曲变形。先焊1和1焊缝少的一侧，焊后出现上供变形，接着焊接2、2及3、3焊缝多的一侧，则焊后它们的收缩足以抵消先前产生的上供变形。如果按图e的焊接顺序进行船形焊，焊后变形最小,3）采用不同的焊接顺序 结构中存在长焊缝时，不宜采用直通焊。在实践中，经常采用不同焊接顺序控制变形。其中分段退焊法、分中分段焊法、跳焊法和交替焊法，常用与长度为1m以上的焊缝；长度为0.51m的焊缝可用分中

5、对称焊法。退焊法和跳焊法的每段焊缝长度一般为100350mm,3）反变形法 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形坡口中采用。另外一种做法是两块焊件对接装配时，采取终焊端的根部间隙比起焊端大，以避免焊接过程中，由于纵、横向收缩，促使终焊端的间隙变小而影响打底层焊接质量。 工字梁控制角变形，可在焊前预先将翼板制成反变形，然后按图C所示的装配角度和焊接顺序进行焊接，以抵消焊后变形,4）刚性固定法 焊接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。 几种不同焊接结构采取刚性固定法的实例,5）散热法 焊接时用强迫冷却的方法将焊接区的热量带走，使受热面积大为减小，从而

6、达到减小变形的目的。 将焊件浸入水中焊接 喷水冷却焊接 水冷紫铜板散热焊接 注意：散热发不适用与淬硬倾向较高的材料，否则会产生裂纹,1、设计措施 （1）合理选择焊件尺寸 （2）合理选择焊缝尺寸和坡口形式 （3）尽量减少不必要的焊缝 （4）合理安排焊缝位置,2、工艺措施 （1）反变形法 （2）刚性固定方法 （3）合理选择焊接方法及焊接规范 （4）采用合理的装配焊接顺序 （5）散热发,方案a: 312 f1+f2+f3 方案b : 123 f1+f2f3 方案c：213 f1 f3,3.控制焊接残余应力的工艺措施 （1）选择合理的焊接顺序 1）尽可能使焊缝自由伸缩 减少焊接结构在施焊时的约束，最大

7、限度地减小焊接残余应力。 大型容器底部有许多平板拼接而成。焊接应从中间向四周进行，以使焊缝的收缩从内向外依次产生。同时先焊横向（短）焊缝，后焊纵向（长）焊缝。 带肋板的工字梁的焊接顺序，两边对称地逐格焊接，使构件自由收缩,2）先焊收缩量大的焊缝 先焊收缩量大、焊后可能产生较大的焊接残余应力的焊缝，使焊缝收缩时的约束度小，故焊接残余应力也小。如同一结构上既有对接焊缝，又有角接焊缝时，应先焊收缩量相对较大的对接焊缝,3）先焊交叉焊缝的短焊缝，后焊直通长焊缝 保证短焊缝焊后有自由收缩的可能,合理选择焊接顺序和方向(先横后纵,按焊缝长短确定焊接顺序,2）选择合理的焊接工艺参数 焊接时尽可能采用小直径焊

8、条和较小的焊接电流，减小受热范围。 （3）采用预热的方法 预热温度一般在150350之间。目的是减小焊接区和结构整体的温度差，以使焊缝区与结构整体尽可能地均匀冷却，从而减小内应力。常用于淬硬倾向较大的材料,4）加热“减应区”法 在焊接或补焊刚性很大的结构时，选择适当的部位进行加热使之伸长，加热区的伸长带动焊缝部位，使其产生与焊缝收缩方向相反的变形，然后再进行焊接。冷却时，加热区的收缩与焊缝的收缩方向相同，使焊缝有自由收缩的可能，焊接残余应力可大为减小。图1-124f 如带轮轮辐、轮缘的断口补焊,5）敲击法 在焊后冷却过程中，用锤子或风锤敲击焊缝，促使它产生塑性变形，以抵消焊缝的一部分收缩量。进

9、行敲击时，温度应当维持在100150之间或400以上。应避免在200300之间的蓝脆性阶段进行，以防敲击产生裂纹。 多层焊时，第一层不敲击，避免根部裂纹，最后一层也不敲击，以保持焊缝表面美观,二、矫正和消除措施,1.焊接残余变形的矫正方法 （1）机械矫正法 工字梁焊后变形的矫正。低碳钢结构，焊后直接应用此法，一般合金钢结构，焊后先进行消除应力处理，再机械矫正，否则容易断裂。 薄板波浪变形的机械矫正，采用捶打焊缝区的拉应力段,2）火焰矫正法 采用氧-乙炔火焰或其他气体火焰，以不均匀加热方式引起结构某部位变形来矫正原有的残余变形。 具体方法是将变形构件的局部，加热到600800，钢板呈褐红色（低碳

10、钢），自然冷却或强制冷却，使之冷却后产生收缩变形来抵消原有的变形,钢铁加热火色与温度之间的关系,火焰加热方式有三种： 1）点状加热矫正 钢板和钢管实例。 8mm以下钢板波浪边形，其加热点直径d一般不小于15mm，点间距离l随变形量的大小而变，残余变形越大，l越小，一般在50100mm之间变动。为提高矫正速度和避免冷却后在加热处出现小泡突起，加热完毕后立即用木锤捶打加热点及其周围，然后水冷,B为钢管弯曲的点状加热矫正。加热温度为800，加热速度要快，加热一点后迅速移到另一点加热。用同样的方法加热、自然冷却一到两次,3）线状加热矫正 火焰沿着直线方向或者同时在宽度方向作横向摆动的移动，形成带状加热

11、。 加热线的横向收缩大于纵向收缩，加热线的宽度越大，横向收缩也越大。加热线的宽度一般取钢板厚度的0.52倍。多用于变形较大或刚性较大的结构。 水火矫正，一般用于厚度不小于8mm的钢板，两者距离在2530mm,3）三角形加热矫正 加热部位是在弯曲变形构件的凸缘，三角形的底边在被矫正构件的边缘，顶点朝内，可加外力或用水火矫正。 常用于矫正厚度较大、刚性较强构件的弯曲变形,2.消除焊接残余应力的方法 （1）整体高温回火热处理 将焊件整体加热至材料相变点以下的某一温度范围（550650），保温一定时间（12min/mm，不少于30min，不高于3h），然后均匀、缓慢冷却。 利用材料在此温度下屈服点降低

12、，使内部残余应力高的部位产生塑性变形。 14MnMoVB消除残余应力热处理工艺曲线,2）局部高温回火热处理 用红外线加热器、工频感应加热器等进行局部加热，以降低焊件内应力峰值，部分消除应力。加热宽度一般应不小于焊件厚度的4倍。在冷却时用绝缘材料包裹加热区域，进行缓冷,3）机械拉伸法 对焊件构件进行加载，使焊后产生的压缩残余变形得到拉伸，可减小焊接引起的局部压缩塑性变形量，降低内应力。例如焊接压力容器的水压试验,4）温差拉伸法 利用适当宽度的火焰炬，在焊缝两侧加热，随同喷水冷却，使两侧的金属受热（200）冷却，对温度较低（100）的焊缝区进行拉伸，产生塑性变形，抵消原来的压缩塑性变形，从而消除内

13、应力。 适用于焊缝比较规则，厚度小于40mm的板、壳结构,5）振动法 利用偏心轮和变速电动机组成的激振器，使焊接结构产生共振，降低内应力。 适用于大型焊接结构,控制焊接变形的措施（补充,1.设计措施 （1）选择合理的焊缝形状和尺寸： （2）减少焊缝的数量： （3）合理安排焊缝位置：如图1-43、图1-44 2.工艺措施 （1）留余量法： （2）反变形法：主要用于控制角变形和弯曲变形 （3）刚性固定法： （4）合理地选择焊接方法和焊接参数： （5）热平衡法：如图1-57 （6）散热法：如图1-58,NEXT,图1-41、42,返回,b,a,图1-42 T形接头的坡口 a)角变形大 b)角变形小,

14、图1-41 相同承载能力的十字接头,1）选择最小的焊缝尺寸,2）选择合理的坡口形式,图1-43,返回,图1-44,a,b,图1-44 合理安排焊缝位置防止焊接变形 a)不合理 b)合理,返回,图1-45,a,b,c,图1-45 无外力作用下的反变形法 a)平板对接焊 b)电渣对接立焊 c)工字梁翼板反变形,返回,刚性固定法,1）将焊件固定在刚性平台上，如图1-48 2）将焊件组合成刚度更大或对称的结构，如图1-49 3）利用焊接夹具增加结构的刚度和拘束，如图1-50 4）利用临时支撑增加结构的拘束,返回,图1-48,图1-48 薄板拼接时的刚性固定,返回,图1-49,图1-49 T形梁的刚性固

15、定与反变形,返回,图1-50,图1-50 对接拼板时的刚性固定,返回,选择合理的装配焊接顺序,1）大而复杂的焊接结构，先将结构简单的部件单独进行焊接，再总装成整体。 2）焊缝应尽量靠近结构截面的中性轴，如图1-52 3）对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧，如图1-53 4）焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称施焊，如图1-54 5）长焊缝焊接时，可采用图1-55所示的方向和顺序进行焊接，以减小其焊后的收缩变形,NEXT,图1-52,a,b,图1-52 主梁装配焊接 a) 形梁结构示意图 b) 形梁的装配焊接方案,返回,a,b,图1-53,a,b,c,d,图1-53 压力机压

16、型上模的焊接顺序 a)压型上模结构图 b)、c)、d)焊接顺序,返回,图1-54,图1-54 圆筒体对接焊缝的焊接顺序,返回,图1-55,a,b,c,d,图1-55 长焊缝的几种焊接顺序,返回,图1-56,图1-56 非对称截面结构的焊接,返回,图1-57,图1-57 采用热平衡法防止焊接变形,返回,图1-58,a,b,c,图1-58 散热法示意图 a)水浸法散热 b)喷水法散热 c)散热垫法散热,返回,矫正焊接变形的方法,1.手工矫正法:主要用于矫正一些小型简单焊件的弯曲变形和薄板的波浪变形 2.机械矫正法：适用于塑性较好的材料及形状简单的焊件，如图1-59 3.火焰加热矫正法：利用火焰对焊件进行局部加热，使焊件产生新的变形来抵消焊接变形 （1）点状加热，如图1-60 （2）线状加热，如图1-61 （3）三角形加加热，如图1-62 火焰矫正变形的效果取决于三个因素： （1）加热方