焊接变形的控制与矫正Word文档格式.docx
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焊接变形的控制和矫正
焊接引起的变形危害极大,焊接中由于焊接温度的复杂变化而产生焊接应力和焊接变形,所以应在发现变形时进行及时防治与矫正
1焊接变形的原因、基本类型及影响因素
1.1焊接变形的原因
金属结构内部由于焊接时不均匀的加热和冷却产生的内应力叫焊接应力。
由于焊接应力造成的变形叫焊接变形。
所谓焊接变形是指钢结构在焊接过程中，由于施焊电弧高温引起的变形，以及焊接完成后在构件中的残余变形现象。
在这两类变形中，焊接残余变形是影响焊接质量的主要因素，也是破坏性最强的变形类型。
在焊接过程中，不均匀的加热，使得焊缝及其附近的温度很高，而远处大部分金属不受热，其温度还是室内温度。
这样，不受热的冷金属部分便阻碍了焊缝及近缝区金属的膨胀和收缩；
因而，冷却后，焊缝就产生了不同程度的收缩和内应力（纵向和横向），就造成了焊接结构的各种变形。
金属内部发生晶粒组织的转变所引起的体积变化也可能引起焊件的变形。
这是产生焊接应力与变形的根本原因。
在焊接过程中，不均匀的加热，使得焊缝及其附近的温度很高，而远处大部分金属不受热，其温度还是室内温度。
这样，不受热的冷金属部分便阻碍了焊缝及近缝区金属的膨胀和收缩；
因而，冷却后，焊缝就产生了不同程度的收缩和内应力（纵向和横向），就造成了焊接结构的各种变形，产生焊接应力与变形的原因具体总结如下：
1） 焊件的不均匀受热
金属的焊接是一个局部的加热过程，焊件上的温度分布极不均匀在焊接过程中，由于不均匀加热，使焊缝和母材的受热部位在膨胀和却收缩时受到约束，最终导致焊后产生纵向和横向变形
2） 焊缝金属的收缩
当焊缝金属冷却由液态转为固态时，其体积要收缩由于焊缝属与母材是紧密联系的，因此，焊缝金属并不能自由收缩，这将引起个焊件的变形
3） 金属组织的变化
钢在加热及冷却过程中发生相变可得到不同的组织，这些组织比体积不一样，由此也会造成焊接变形
4） 焊件的刚性和拘束
刚性是指焊件抵抗变形的能力，而拘束是焊件周围物体对焊件形的约束焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小反之，焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大
1.2焊接变形的基本类型及影响因素
1.2.1焊接变形的基本类型
焊接残余变形对结构的不同层次的影响分为整体变形和局部变形；
根据变形的不同特点则可分为：
收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形这五种基本变形。
在这些变形类型中，角变形和波浪变形属于局部变形，而其他类型的变形属于整体变形。
钢结构发生较多的变形类型是整体变形。
板材坡口对焊后产生的长度缩短（纵向收缩）和宽度变窄（横向收缩）的变形；
板材坡口对接焊接后产生的角变形;
焊后构件的角变形沿构件纵轴方向数值不同及构件翼缘与腹板的纵向收缩不一致形成的扭曲变形;
薄板焊接后母材受压应力区由于失稳而使板面产生翘曲形成的波浪变形；
由于焊缝的纵向和横向收缩相对于构件的中和轴不对称引起构件的整体弯曲，此种变形为弯曲变形。
图1焊接变形的基本形式
这些变形都是基本的变形形式，各种复杂的结构变形都是这些基本变形的发展、转化和综合。
1.2.2焊接变形的影响因素
1） 收缩变形分为纵向收缩变形与横向收缩变形。
影响纵向收缩变形的因素有焊接层数、焊接方法焊接线能量、焊接顺序以及材料的热理参数等。
影响横收缩变形的因素有线能量、接头形式、装配间隙、板厚、焊接方法及焊件的刚度。
2） 角变形主要发生在堆焊、搭接接头、对接接头和T形接头焊缝中，角焊缝的大小与板厚和熔池有关，合理的安排焊接顺序是减小变形的主要措施。
3） 弯曲变形也称挠曲变形，主要是焊接加热不均匀造成的。
分为纵向收缩引起的挠曲变形和横向收缩引起的拱变形。
4） 扭曲变形由于纵向焊缝分布不均和焊接顺序不合理等因素引起。
5） 其他变形有错边变形和波浪变形等。
错边变形产生原因是热膨胀不一致，波浪变形是焊接加热的残余应力造成的
所以影响焊接变形量的因素可以总结为以下几点：
1） 焊缝截面积的影响：
焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积，焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大。
2） 焊接热输入的影响：
一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢,使接头塑性变形区增大，不论对纵向、横向或角变形都有变形增大的影响。
但在表面堆焊时，当热输入增大到一定程度时，由于整个板厚温度趋近，因而即使热输入继续增大，角变形不再增大，反而有所下降。
3） 工件的预热、层间温度影响：
预热温度和层间温度越高，相当于热输入增大，使冷却速度减慢，收缩变形增大。
4） 焊接方法的影响：
在建筑钢结构焊接常用的几种方法中，除电渣焊以外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝面积等相同情况下，收缩变形最大。
手工电弧焊热输入居中，收缩变形比埋弧焊小。
C02气体保护焊热输入最小，收缩变形响应也最小。
5） 焊缝位置对变形的影响：
由于焊缝位置在结构中不对称，焊缝位置不对称等将引起各种变形。
6） 结构的刚性对焊接变形的影响：
结构的刚性大小，主要取决于结构的形状和其截面大小，刚性较小的结构，焊接变形大；
刚性大的结构，焊后变形较小。
7） 装配和焊接规范对焊接变形的影响：
由于采取的装配方法不同，对结构的变形也有影响。
整体装配完再进行焊接，其变形一般小于边装配边焊接。
2控制焊接变形的工艺措施
2.1宜按下列要求采用合理的焊接顺序控制变形：
1） 对于对接接头、T形接头和十字接头坡口焊接，在工件放置条件允许或易于翻身的情况下，宜采用双面坡口对称顺序焊接；
对于有对称截而的构件，宜采用对称于构件中和轴的顺序焊接；
2） 对双面非对称坡口焊接，宜采用先焊深坡口侧部分焊缝、后焊浅坡口侧、最后焊完深坡口侧焊缝的顺序；
3） 对长焊缝宜采用分段退焊法或与多人对称焊接法同时运用；
4） 宜采用跳焊法，避免工件局部加热集中。
2.2在节点形式、焊缝布置、焊接顺序确定的情况下，宜采用熔化极气体保护电弧焊或药芯焊丝自保护电弧焊等能量密度相对较高的焊接方法，并采用较小的热输入。
2.3宜采用反变形法控制角变形。
2.4对一般构件可用定位焊固定同时限制变形；
对大型、厚板构件宜用刚性固定法增加结构焊接时的刚性。
2.5对于大型结构宜采取分部组装焊接、分别矫正变形后再进行总装焊接或连接的施工方法。
3焊接变形的防止
1） 从设计方面考虑防止焊接变形。
合理的构件截面、焊接尺寸、焊接位置、焊缝截面和坡口形式
2） 制定合理的工艺措施和焊接工艺参数:
钢材的储运和保管，焊接准备工作，选择合理的焊接线能量，选择合理的装配顺序，焊件刚性固定，焊接中防止变形，组装和装配防焊接变形
4防止焊接变形的方法
（1）反变形法焊前进行装配时，预置反方向的变形量为抵消（补偿）焊接变形，这种方法叫做反变形法。
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图2焊接H型钢反变形示意图
a试件b角变形量c反变形设备
（2）利用装配和焊接顺序来控制变形；
采用合理的装配和焊接程序来减少变形，这在生产实践中是行之有效的好办法
焊接顺序是影响焊接结构变形的主要因素之一，安排焊接顺序时应注意下列原则：
1）尽量采用对称焊接。
对于具有对称焊缝的工作，最好由成对的焊工对称进行焊接。
这样可以使由各焊缝所引起的变形相互抵消一部分。
2）对某些焊缝布置不对称的结构，应先焊焊缝少的一侧。
3）依据不同焊接顺序的特点，以焊接程序控制焊接变形量
常见的焊接顺序有五种，即：
a.分段退焊法这种方法适用于各种空间的位置的焊接，除立焊外，钢材较厚、焊缝较长时都可以设挡弧板，多人同时焊接。
其优点是可以减小热影响区，避免变形。
b.分中分段退焊法这种方法适用于中板或较薄的钢板的焊接，它的优点是中间散热快,缩小焊缝两端的温度差。
焊缝热影响区的温度不至于急剧增高，减少或避免热膨胀变形。
这种方法特别适用于平焊和仰焊，横焊一般不采用，立焊根本不能用。
c.跳焊法这种方法除立焊外，平焊、横焊、仰焊三种方法都适用，多用在6—12mm厚钢板的长焊缝和铸铁、不锈钢、铜的焊接上，可以分散焊缝热量，避免或减小变形。
钢材每段焊缝长度在200-400mm之间；
铸铁焊件按铸铁焊接规范处理；
不锈钢和铜由于导热快,每段长不宜超过200mm（薄板应短些）。
d.交替焊法这种焊法和跳焊法基本相同，只是每段焊接距离拉长，特别适用于薄板和长焊缝。
e.分中对称法这种方法适用于焊缝较短的焊件，为了减小变形，由中心分两端一次焊
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中心
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图3H型钢焊接示意图
数字为焊接时间顺序
（3）散热法又称强迫冷却法，即将焊接处的热量迅速散走，使焊缝附近的金属受热面大大减少，达到减小焊接变形的目的。
（4）锤击焊缝法即用圆头小锤对焊缝敲击，可减少焊接变形和应力。
因此对焊缝适当锻延，使其伸长来补偿这个缩短，就能减小变形和应力。
锤击时用力要均匀，一般采用0.5Kg—l.OKg的手锤，其端部为圆角（R=3—5mm）。
底层和表面焊道一般不锤击，以免金属表面冷作硬化。
其余各道焊完一道后立刻锤击，直至将焊缝表面打出均匀致密的点为止。
（5） 刚性固定法对减小变形很有效，且焊接时不必过分考虑焊接顺序。
缺点是有些大件不易固定，且焊后撤除固定后，焊件还有少许变形和较大的残余应力。
这种方法适用于焊接厚度小于6mm及韧性较好的薄壁材料。
如果与反变形法配合使用则效果更好。
对于形状复杂，尺寸不大，又是成批生产的焊件，可设计一个能够转动的专用焊接胎具，既可以防止变形，又能提高生产率。
当工件较大，数量又不多时，可在容易发生变形的部位临时焊上一些支撑或拉杆，增加工件的刚性，也能有效的减少焊接变形。
（6） 焊接节点构造设计
1） 控制焊缝的数量和大小钢结构焊缝数量多尺寸大，焊接时的热输入量也越多，造成的焊接变形也更大因此，在钢结构焊接节点构造设计时，应设法控制焊缝的数量和大小，尽可能减少焊接变形
2） 根据焊接工艺选择适合的焊缝坡口的形状和尺寸对焊缝坡口形成与大小合理的选择应能够确保钢结构整体的承载能力充分适当的坡口形状和大小，可以通过减少截面积，进一步减少结构的焊接变形量
3） 焊接节点的位置应处于构件截面的对称处结构中性轴焊接节点的位置应尽可能在构件截面的中性轴对称位置，或尽量接近中性轴，同时应避免在高应力区
4） 对于节点形式的选择，应选用的刚性小的节点形式节点应避免在双向三向交叉处，这样避免由于焊缝集中而导致的高温和焊缝应力集中，从而减少焊接变形
5矫正焊接变形的方法
影响焊接变形的因素太多，生产中无法面面俱到，难免产生焊接变形当焊接残余变形超出技术要求时，必须矫正焊件的变形，焊接变形的矫正有热加工法和冷加工法。
5.1冷加工法包括手工矫正法和机械矫正法
1） 手工矫正法手工矫正法主要用于矫正薄板薄壁壳体焊件和小型焊件的弯曲变形角变形和薄板的波浪变形等首先用手锤大锤锤击焊缝附近，以消除焊件的不直度，再用平板靠模等衬垫，用三点弯曲的原理消除角变形或壳体的不圆度
2） 机械矫正法机械矫正法是利用机械工具，如千斤顶拉紧器压力机等来矫正焊接变形。
如H型钢焊后产生的拱度变形采用压力机矫正；
翼板的挠曲变形采用H型钢专用矫正机矫正
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