焊接变形原因分析及其防止措施

2019-07-19 版权声明 举报文章

摘 要:本文重点对常见焊接变形的原因进行分析,并根据原因分别从设计和工艺两个方面论述防止变形的措施。

关键词:焊接变形 原因分析 防止措施

随着新材料、新结构和新焊接工艺的不断发展,有越来越多的焊接应力变形和强度问题需要研究。焊接变形在焊接结构生产中经常出现,如果构件上出现了变形,不但影响结构尺寸的准确性和外观美观,而且有可能降低结构的承载能力,引起事故。同时校正焊接变形需要花费许多工时,有的变形很大,甚至无法校正,造成废品,给企业带来损失。因此掌握焊接变形的规律和控制焊接变形具有十分重要的现实意义。

一、焊接变形种类

生产中常见的焊接变形主要有纵向收缩变形、横向收缩变形、挠曲变形、角变形、波浪变形、错边变形、螺旋变形。这几种变形在焊接结构中往往并不是单独出现,而是同时出现,相互影响。在这里重点对生产中经常出现的纵向收缩变形、横向收缩变形、角变形、错边变形进行分析。

二、焊接变形原因分析

1.纵向收缩变形。焊接时,焊缝及其附近的金属由于在高温下自由变形受到阻碍,产生的压缩性变形,在平行于焊缝的变形称之为纵向收缩性变形。焊缝纵向收缩变形量可近似的用塑性变形区面积S来衡量,变形区面积S于焊接线能量有直接关系,焊接线能量越小,S越小,反之S越大。同样截面的焊缝可以一次焊成,也可以分几层焊成,多层焊每次所用的线能量比单层焊时小得多,因此每层焊缝产生的塑性变形区的面积S比单层焊时小,但多层焊所引起的总变形量并不等于各层焊缝的总和。因为各层所产生的塑性变形区面积和是相互重叠的。

从上述分析可以看出多层焊所引起的纵向收缩比单层焊小,所以分的层数越多,每层所用的线能量就越小,变形也越小。

2.横向收缩变形。横向收缩变形是指垂直于焊缝方向的变形,焊缝不但发生纵向收缩变形,同时也发生横向收缩变形,其变形产生的过程比较复杂,下面分几种焊缝情况来分析。

2.1堆焊和角焊缝。 首先研究在平板全长上对焊一条焊缝的情况。当板很窄,可以把焊缝当作沿全长同时加热,采用分析纵向收缩的方法加以处理。但在实际过程中,在焊缝长度上的加热并不是同时进行的,因此给焊缝长度各点的温度不一致。在热源附近的金属热膨胀变形不但受到板厚深处、而且受到前后温度较低金属的限制和约束而承受压力,使其在宽度方向产生压缩塑性变形。而在厚度上增厚,焊后产生横向收缩变形。横向变形的大小与焊接线能量Q=q/v和板厚有关。随着q/v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,这是因为先焊焊缝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。这样焊缝的横向收缩沿着焊接方向是由小到大逐渐增长的,到一定长度后趋于稳定。

2.2对接接头焊缝。以平板对接来分析,两块平板,中间留有一个间隙,在其上进行焊接,随着焊接热源的移动,平板被逐步加热膨胀,使焊接间隙减小。我们知道单位厚度的焊接线能量q愈大,热膨胀愈大,间隙变化也愈大。在冷却过程中,焊缝金属由于很快凝固,随后又恢复弹性,因此阻碍平板的焊接边收缩到原来的位置。这样在冷却过程中就产生了横向收缩变形。如果两板间没有间隙,则板的膨胀将引起板边的挤压,使之向厚度方向变形,在冷却后,产生的横向收缩比前一种情况有所降低。

3.角变形。在堆焊、对接焊、搭接和丁字接头的焊接时,很容易产生角变形,这种变形发生的根本原因是横向收缩变形在厚度方向上的不均匀分布。焊缝正面的变形大,背面的变形小,这样就造成平面的偏转。

3.1堆焊时角变形。堆焊时,堆焊的高温区金属的热膨胀由于受到附近温度较低金属的阻碍而受到挤压,产生压缩塑性变形。由于焊接面的温度高于背面,焊接面产生的压缩塑性变形比背面大,有时背面在弯矩的作用下甚至产生拉伸变形,导致焊缝冷却后平板产生角变形。角变形的大小取决于压缩塑性变形的大小和分布情况,同时也取决于板的刚度。

3.2对接接头时角变形。对接接头的坡口角度以及焊缝截面形状对于对接接头的角变形影响很大,坡口角度越大,焊接接头上部及下部横向收缩量的差别就越大。可以用对称坡口X型代替Y型坡口,这样有利于减小角变形。所以焊接角变形,不但与坡口形势和焊缝截面形状有关,而且还和焊接方式有关。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,多道焊比多层焊角变形大。

3.3角焊缝时角变形。 角焊缝对于丁字接头的焊缝最为明显,这里以丁字接头焊缝来分析。丁字接头的角变形包括两个内容,筋板与主板的角度变化和主板本身的角变形。前者相当于对接接头的角变形。对于不开坡口的角焊缝来说,它的变形相当于坡口为90度时的对接焊缝的角变形,而对主板来说,它就相当于在平板上进行堆焊时引起的角变形。这两种变形的综合结果,使丁字形接头两板间的角度发生变化,破坏了垂直度,也破坏了平板的平直度。

三、预防焊接变形的措施

从上面对焊接变形的原因进行了分析,知道焊接变形可以从设计和工艺两个方面来解决。

1.设计措施

1.1合理的选择焊缝的尺寸和形状。焊缝尺寸直接关系到焊接工作量和焊接变形的大小。焊缝尺寸大,不但焊接量大,而且焊接变形也大,因此在保证结构的承载能力的条件下,设计时应该尽量采用较小的焊缝尺寸。

1.2尽可能减少不必要的焊缝。在焊接结构中应该力求减少焊缝数量,避免不必要的焊缝。因为焊缝的增多,必然会增大焊接变形的可能性。

1.3合理地安排焊缝位置。在设计时,安排焊缝时尽可能的对称于截面中性,或者使焊缝接近中性轴,这对减少梁、柱等一类结构的变形有良好的效果。焊缝对称于中性轴,有可能使焊缝所引起的变形互相抵消,减少焊接变形。

2.工艺措施

2.1反变形法 。事先估计好结构变形的大小和方向,然后在装配时给于一个相反方向的变形与焊接变形相抵消,使焊后构件保持设计的要求。例如为了防止对接接头的角变形可以预先将焊接坡口处垫高。

2.2刚性固定法 。这个方法是将构件加以固定起来限制焊接变形。例如在焊接法兰盘时采用刚性固定法可以有效的减少法兰盘的角变形,使法兰盘面保持平直 。固定的方法可以采用直接点固,或紧压在平台上,或者两个法兰面背对背固定起来。在焊接薄板时,在焊缝两侧用夹具紧压固定,固定的位置尽量接近焊缝。

2.3选择合理的装配焊接顺序。例如大型贮油罐的焊接过程中,要合理的选择装配焊接顺序,才能避免焊接变形。以罐底为例分析,将罐底分为两部分。第一部分是和罐壁直接连接的边板。第二部分是不与罐壁连接的中部板。先把中部板焊成一体,焊接顺序是从中心向两端,先焊接短焊缝,使钢板连成长条,暂不与边板焊接。然后再焊长条间的焊缝,次序也是由中心向外侧焊接。焊完这部分后,先把边板与罐壁接触部分的焊缝焊好,再焊罐壁与边板之间的环焊缝,然后焊边板之间余下的焊缝,最后焊接边板与中部板之间的焊缝。通过这样的焊接顺序,可以有效的防止焊接变形。

四、结束语

通过上述分析,只要我们在设计施工当中正确的应用工艺措施和设计措施来控制焊接变形,就会取得良好的效果。这样不但保证了构件的结构尺寸,外形美观,而且能提高工作效率,降低生产成本。

参考文献

[1]《实用焊接技术手册》: 2002年9月,河北科学技术出版社.

[2]《焊接手册》 2001年7月 机械工业出版社.

[3]《焊接技师手册、金属管道焊接工艺手册》2005年1月, 机械工业出版社.

[4]《焊接原理》机械工业出版社.

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