焊接理论分析和实践应用

前言：本站为你精心整理了焊接理论分析和实践应用范文，希望能为你的创作提供参考价值，我们的客服老师可以帮助你提供个性化的参考范文，欢迎咨询。

作者：刘朝晖单位：广州奥的斯电梯有限公司

当这种局部加热到使金属产生塑性变形的温度时，冷却之后就会产生残余内应力和残余变形。这种残余内应力叫焊接应力，由于焊接应力造成的变形叫焊接变形。对于图2这样的T形焊接截面，由于角焊缝而产生的焊接应力导致沿焊缝纵向的收缩变形及垂直于焊缝的横向收缩变形。T形焊接构件中的残余应力分布如图3所示，在离开T形构件一端稍远的某一截面，如X-X截面的近缝区产生了很高的平行于轴线方向的拉伸残余应力。右图是X-X截面上平行于轴线方向的残余应力分布。在T字接头的焊接中，近缝区存在拉应力，远离焊缝的区域则存在压应力。由于焊缝纵向收缩引起的型钢纵向弯曲变形，使腹板靠近上边的区域具有拉应力。由于横向收缩在侧板厚度方向上分布不均匀，造成图3所示的角度变化（这种变化包括扁钢的焊接角度变化和侧板本身的角变形）。纵向和横向的综合作用，最终造成了扁钢和侧板的翘曲和波浪变形。

影响焊接变形的因素

引起焊缝收缩的因素很多，主要因素如焊缝的结构、焊接方法、焊接规范（热输入量）、材料和焊接工艺（如焊接顺序和焊接方向）等。

1焊缝数量、长度、断面尺寸焊缝的数量越多，焊缝越长，焊接截面尺寸越大，产生的热量越多，变形越大。角变形随焊角尺寸的增大而增大（例如横向收缩值与角焊缝面积成正比）。因此，在保证联接强度和接头组织性能的的前提下，要尽可能减少焊缝尺寸。

2焊接热输入量导致收缩变形的主因素是焊接热输入量(温度)，温度的输入给焊缝冷却收缩变形带来很大影响，高温输入收缩变形就大，反之，低温输入收缩变形就小。焊接热输入量(焊接线能量)直接与焊接电流、电弧电压、焊接速度有关。采用大电流快速焊，比小电流慢速焊的变形和应力要小。

3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（如热传导系数）和力学性能参数（如热膨胀系数）都对焊接变形有重要的影响。一般热传导系数越小，温度梯度越大，焊接变形越显著，热膨胀系数增加，焊接变形也相应增加。

4焊接工艺焊接工艺对焊接变形的影响方面很多，如焊接方法、构件的定位或固定方法、焊接顺序、焊接工装及夹具的应用等。在各种工艺因素中，焊接顺序对焊接变形的影响较为显著，一般情况下，改变焊接顺序可以改变残余应力的分布及应力状态，减少焊接变形。此外，采用间断焊的纵向收缩变形比连续焊要小，其效果随L/a的比值降低而提高（L为分段焊缝的长度，a为两段之间的中心距）。在保证焊缝强度的情况下，用间断焊缝代替连续焊缝是降低纵向收缩变形的有效措施之一。

减小焊接变形的措施

如若因结构限制而导致的焊接变形不可避免，就只能采取一定的措施控制其变形量。从焊缝结构设计到焊接工艺上（焊接工装、焊接顺序、焊接规范等）都应合理选择。

1焊缝结构方面

1.1选择合适的焊缝尺寸在保证结构有足够承载能力的前提下，应采用尽量小的焊缝尺寸，并尽可能减少焊缝数量。过量的焊接金属不仅不会增加强度，反而会增加收缩应力，增加焊接变形。

1.2选择合理的焊接坡口形式为使接头的焊接金属量最小，应该选用焊缝金属少的坡口形式，如在T形焊接中，用双边坡口替代单边坡口接头，可以减小焊接角变形。

2焊接工艺方面

2.1反变形法焊接前使零件预先向焊接变形的相反方向，焊前预置变形和焊后变形相互抵消，达到需要的形状，这是克服角变形和弯曲变形既有效又能减小残余应力的方法。反变形量需经试验确定，可以达到较好的准确程度。

2.2刚性固定法在没有反变形的情况下，将焊件使用强行固定的方法或手段来限制焊接构件的变形。使用这种方法防止角变形和波浪变形效果比较好。有夹具固定条件下的焊接收缩量比没有夹具固定的焊接收缩量减少约40％～70％。常用的刚性固定有：将焊件固定在刚性平台上；将焊件组合成刚度更大的结构；利用焊接夹具增加结构的刚度和拘束；利用临时支撑增加结构的拘束。

2.3合理地选择焊接方法和规范选用焊接线能量较低的焊接方法，可以有效地防止焊接变形。采用CO2气体保护焊，不但效率高，而且可以减少薄板结构的变形，提高焊接质量。此外，要减小并避免焊件的变形，应注意严格控制线能量，即在完成焊缝焊接的前提下，尽量减少焊接的热输入，从而缩小焊接热影响区，减少焊接变形及其对接头性能的恶劣影响。

2.4焊接顺序焊接顺序对焊接残余应力和变形的产生影响较大，采用不同的焊接顺序，可以改变残余应力的分布规律。采用合理的焊接顺序来减少变形，这在生产实践中是行之有效的好办法。安排焊接顺序时一般的原则如下。（1）尽量采用对称施焊，能使产生的弯曲变形互相抵消。（2）对某些焊缝布置不对称的结构，应先焊焊缝少的一侧。（3）在可能的情况下，将连续焊缝改成断续焊缝，可减少焊缝和工件由于受热而产生的塑性变形，或者采用不同的焊接方向和焊接顺序，可使局部焊缝变形适当减少或相互抵消，从而达到总体减小焊接变形的目的。常见的焊接顺序如分段退焊法、分中分段退焊法、跳焊法、分中对称法等（图4）。图5显示了不同焊接顺序和分段时焊接应力的分布，改变焊接顺序减少了残余应力峰。为防止焊接角变形，可以采取如预先点固焊和焊接夹具、多层焊、分段焊等方法。其中，预先点固焊的工艺能保证焊接间隙，并有一定的抗变形能力。其数量、焊角尺寸、焊点之间的距离以及点固焊的顺序需要综合考虑，防止对焊接残余变形产生累积影响。

焊接工艺改进

综上所述，侧板焊接变形控制采取的措施如下。

1修改焊缝结构尺寸侧板沿扁钢导轨增加槽焊缝孔（图6），间距为150mm，以保证连接强度，并减小焊接变形。其余位置保持交错断续角焊缝，焊脚尺寸K由5mm改为4mm，以减小焊接变形（图7）。

2重新修改焊接工装如图9（a）所示，将扁钢导轨置于预先布置好的定位柱中，定位柱的包络刚好是拟焊接的扁钢的轮廓曲线（图8）。定位柱保持一定的间隙，间隙保持在扁钢的厚度+0.3mm，既保证一定的焊接自由度，又防止过大的变形产生（图9（a）、图9（b））。如图9（b）所示，利用侧板的工艺大圆孔，插入定位柱，将侧板刚性固定，如图9（c）所示，使用压块压住侧板，进一步对侧板进行刚性固定。

3优化焊接顺序工艺顺序为：焊前沿侧板的槽焊缝孔进行点固焊，先焊槽焊缝，焊后进行平整，之后再焊角焊缝。这样的顺序可以减少扁钢的角度焊接变形，并有利于减小焊接内应力，此外，焊角焊缝时，调整焊接顺序为由中心向两端焊，并采用交错断续焊。

4调整焊接参数通过调整焊接电流，电弧电压，焊接速度，气体流量等参数来调整焊缝尺寸，保证焊接质量。使用1.2mm焊丝，焊接电压24V，焊接电流250A，焊接速度30～50cm/min，气体流量约14L/min，焊丝伸出长度10～12mm。由于采用了合理的结构设计和焊接工艺，并有焊接工装保证，侧板与扁钢的焊接变形控制效果显著，经过几批次的加工试验，垂直度公差基本达到要求，平面度公差也基本达到要求。

结论

在实际生产中，要充分掌握焊接变形的规律和预防焊接变形的措施，综合考虑各种影响因素，制定出合理的预防焊接变形和最大限度地减少焊接变形的措施，从而减少矫正焊接变形的工时，提高产品质量及生产效率。