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焊接变形的原因、分类、危害及消除方法

焊接变形是指在焊接过程中,由于不均匀的热输入和热输出,导致被焊件的形状和尺寸发生改变的现象。焊接变形不仅影响焊接质量和外观,还会降低焊接结构的强度和刚度,甚至导致裂纹、脱层等缺陷的产生。因此,了解焊接变形的原因和分类,掌握消除或减少焊接变形的方法,对于提高焊接效率和保证焊接性能具有重要意义。



I. 焊接变形的原因和分类

焊接变形的产生主要是由于以下三个方面的因素:

  1. 焊接温度场:在焊接过程中,被焊件受到高温热源的作用,产生温度梯度和热循环。这些温度变化会引起被焊件的热胀冷缩和相变,从而导致不同部位的收缩量不同,造成内部应力和变形。

  2. 焊缝收缩:在焊接过程中,熔敷金属从液态到固态的过程中会发生体积收缩。这种收缩会使得熔敷金属对周围基体金属产生拉力,从而导致基体金属向焊缝方向移动,造成变形。

  3. 结构刚度:在焊接过程中,被焊件受到周围环境或其他部件的约束或支撑,使得其不能自由收缩或伸展。这种约束或支撑会影响被焊件的刚度,即抵抗变形的能力。一般来说,结构刚度越大,变形越小;结构刚度越小,变形越大。



根据变形发生在平面内还是平面外,以及变形的方向和形式,可以将焊接变形分为以下几种类型:


  1. 纵向收缩变形:指沿着焊缝长度方向发生的收缩变形。纵向收缩变形主要取决于焊缝长度、截面积和结构刚度。一般来说,纵向收缩随着焊缝长度和截面积的增加而增加,随着结构刚度的增加而减少。

  2. 横向收缩变形:指垂直于焊缝方向发生的收缩变形。横向收缩变形主要取决于热输入、板厚和坡口角度。一般来说,横向收缩随着热输入和板厚的增加而增加,随着坡口角度的增加而减少。

  3. 角变形:指由于横向收缩沿着板厚方向不均匀而引起的回转变形。角变形主要取决于坡口类型、层数和顺序。一般来说,角变形随着坡口深度、层数和顺序的增加而增加。

  4. 弯曲变形:指由于结构上的焊缝布置不对称或焊件断面形状不对称,导致焊缝收缩引起的弯曲变形。弯曲变形主要取决于焊缝位置、长度和方向。一般来说,弯曲变形随着焊缝离中性轴的距离、长度和角度的增加而增加。

  5. 扭曲变形:指由于焊缝角变形沿长度方向分布不均匀,或者由于装配不良、焊接顺序不合理等原因,导致焊缝收缩没有一定的规律,造成构件的扭曲变形。扭曲变形主要取决于结构的对称性、刚度和焊接顺序。一般来说,扭曲变形随着结构的不对称性、刚度的减小和焊接顺序的不合理而增加。

  6. 波浪变形:指由于结构刚度小,在焊缝的纵向收缩、横向收缩综合作用下造成较大的压应力而引起的波浪状变形。波浪变形主要发生在薄板或者焊缝密集的地方。一般来说,波浪变形随着板厚的减小和焊缝密度的增加而增加。



II. 焊接变形的危害

焊接变形会给焊接产品带来以下几方面的危害:

  • 降低装配质量:由于焊接变形导致被焊件的尺寸和形状偏离设计要求,使得装配时出现间隙过大或过小、错位或重叠等问题,影响装配的精度和牢固性。

  • 影响外观质量:由于焊接变形导致被焊件的表面出现凹凸不平、弯曲扭曲等缺陷,影响产品的美观和整体性。

  • 降低承载力:由于焊接变形导致被焊件的几何尺寸发生改变,使得其受力状态发生改变,从而影响其承受载荷的能力。特别是对于受弯或受扭的结构,由于弯曲或扭曲变形导致其截面性能下降,使得其抵抗弯矩或扭矩的能力降低。

  • 增加矫正工序:为了消除或减少焊接变形,必须采取相应的矫正措施,如机械矫正、热矫正等。这些矫正工序不仅会增加工时和成本,还会影响产品的质量和性能。

  • 提高制造成本:由于焊接变形导致产品质量下降,需要进行重新加工或报废,造成材料和人力的浪费。同时,为了防止或减少焊接变形,需要采取相应的控制措施,如预留余量、反变形、刚性固定等。这些措施也会增加材料和设备的投入,提高制造成本。



III. 消除或减少焊接变形的方法

为了消除或减少焊接变形,可以从以下三个方面采取相应的控制措施:


1) 设计措施:在设计阶段就考虑到焊接变形的影响

设计措施是在设计阶段就考虑到焊接变形的影响,从而选择合理的结构形式、材料、尺寸、焊缝类型、数量、位置等,以减少焊接变形的可能性和程度。具体的设计措施有:

  • 提高结构刚度:结构刚度是指结构抵抗变形的能力。一般来说,结构刚度越大,焊接变形越小;结构刚度越小,焊接变形越大。因此,在设计时应尽量提高结构刚度,如增加筋板、加强肋、采用箱型结构等。


  • 减少焊缝尺寸:焊缝尺寸是指焊缝的宽度、深度和长度。一般来说,焊缝尺寸越大,热输入越多,焊接变形越大;焊缝尺寸越小,热输入越少,焊接变形越小。因此,在保证焊接质量和强度的前提下,应尽量减少焊缝尺寸,如采用较小的坡口角度、间隙和层数等。


  • 减少焊缝数量:焊缝数量是指同一结构中需要施焊的焊缝的个数。一般来说,焊缝数量越多,热输入越多,热应力和热变形越大;焊缝数量越少,热输入越少,热应力和热变形越小。因此,在保证结构完整性和承载能力的前提下,应尽量减少焊缝数量,如采用较厚的板材、较大的截面、较简单的形状等。


  • 合理布置焊缝位置:焊缝位置是指焊缝相对于结构中心轴或中性面的距离和方向。一般来说,焊缝位置越靠近中心轴或中性面,对称性越好,平衡性越好,焊接变形越小;焊缝位置越远离中心轴或中性面,对称性越差,平衡性越差,焊接变形越大。因此,在设计时应尽量使焊缝位置靠近中心轴或中性面,并保持对称性和平衡性。



2) 工艺措施:在装配和施焊过程中采取适当的方法控制变形

工艺措施是在装配和施焊过程中采取适当的方法控制变形,从而减少或消除由于温度场不均匀引起的收缩和扭曲等现象。具体的工艺措施有:

  • 合理选择装配顺序:装配顺序是指将各个部件组合成整体的先后次序。一般来说,装配顺序应遵循以下原则:先对称后不对称,先简单后复杂,先自由后约束,先小后大。这样可以减少装配误差和累积误差,提高装配精度和质量。

  • 合理选择焊接顺序:焊接顺序是指将各个焊缝按照一定的顺序和方向进行施焊的次序。一般来说,焊接顺序应遵循以下原则:先对接后角焊,先中心后周边,先对称后不对称,先分段后连续,先跳焊后回焊。这样可以减少热应力的叠加和变形的累积,提高焊接质量和效率。

  • 合理选择焊接参数:焊接参数是指影响焊接过程的各种因素,如电流、电压、速度、极性、气体流量等。一般来说,焊接参数应遵循以下原则:尽量减少热输入,尽量提高热效率,尽量均匀热分布。这样可以减少热影响区的范围和深度,减少热应力和热变形的大小。

  • 预加反变形法:预加反变形法是在施焊前根据经验或计算预先给予被焊件一定的反方向变形量,使其在施焊后的变形与预加的反变形量相抵消或相补偿。这种方法适用于有一定刚度和弹性的结构,如箱型结构、框架结构等。

  • 刚性固定法:刚性固定法是在施焊前用夹具或其他装置将被焊件牢固地固定在一定的位置和形状上,使其在施焊过程中不能自由收缩或伸展。这种方法适用于刚度较小或自由度较大的结构,如薄板结构、管道结构等。

  • 锤击法:锤击法是在施焊过程中或施焊后趁热用圆头锤轻而密地敲击焊缝及其周围区域,使其产生塑性变形和延展性收缩,从而减少或消除残余应力和变形。这种方法适用于可塑性较好的材料,如低碳钢、铸铁等。



3) 矫正措施:在施焊后采取必要的方法恢复变形

矫正措施是在施焊后采取必要的方法恢复变形,从而使被焊件符合设计要求或使用要求。具体的矫正措施有:

  • 机械矫正法:机械矫正法是利用机械力对被焊件进行拉伸、压缩、弯曲、扭转等作用,使其产生塑性变形或弹性回复,从而消除或减小变形。这种方法适用于刚度较大或变形较小的结构,如钢梁、钢柱等。


  • 热矫正法:热矫正法是利用局部加热或整体加热对被焊件进行温度处理,使其产生不均匀收缩或相变收缩,从而消除或减小变形。这种方法适用于刚度较大或变形较大的结构,如钢桥、钢塔、钢箱梁等。具体的热矫正法有以下几种:


  1. 局部加热法:局部加热法是在被焊件的凹陷部分或对称面上用火焰或电流等方式进行局部加热,使其产生不均匀收缩,从而抵消或减小变形。这种方法要求加热温度和时间的控制,一般加热温度不宜超过600℃,加热时间不宜过长,以免影响材料的性能和结构的稳定性。加热后应及时冷却,以防止再次变形。局部加热法的优点是操作简单,效果明显;缺点是可能造成局部应力集中和裂纹产生。


  2. 整体加热法:整体加热法是将整个被焊件或主要受力部分放入加热炉中进行均匀加热,使其产生相变收缩,从而消除或减小变形。这种方法要求加热温度和保温时间的选择,一般加热温度应低于临界温度,保温时间应根据材料的相变速率和厚度确定。加热后应缓慢冷却,以防止残余应力和新的变形产生。整体加热法的优点是可以消除较大的变形和残余应力;缺点是设备要求高,成本较高,可能影响材料的组织和性能。


  3. 火焰校正法:火焰校正法是利用钢材受热后以1.2×10⁵/℃的线性膨胀系数向各方向伸长,当冷却到原来的温度时,除收缩到原来未加热时的长度外,且按1.48×10⁶/℃的收缩率进一步收缩而使其收缩后较原来长度短的这一特性,在适当部位对已变形的构件进行火焰加热,冷却后即产生很大的冷缩应力,达到校正变形的目的。这种方法要求火焰的移动速度、方向、距离、温度等参数的控制,一般火焰温度为600~700℃,移动速度为3~5秒/点。火焰校正法的优点是可以对复杂形状和大尺寸的结构进行校正;缺点是可能造成局部过热、过冷、裂纹等问题。




总之,焊接变形是一种不可避免的现象,它会给焊接产品带来质量、性能和成本方面的影响。因此,我们应该从设计、工艺和矫正三个方面采取有效的控制措施,以消除或减少焊接变形的产生。同时,我们也应该根据不同的材料、结构和条件选择合适的方法和参数,以保证焊接的安全和可靠。


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