摘要本文介绍了常见焊接变形的种类、焊接变形的影响因素以及预防焊接变形的基本措施。
关键词焊接变形;焊接变形种类;影响因素;预防措施
中图分类号TG4文献标识码A文章编号1674-6708(2010)17-0056-02
0引言
焊接变形是焊接结构生产中经常出现的问题,它不但影响焊接结构的尺寸准确和外形美观,而且有可能降低结构的承载能力,引起事故。当结构件上出现了焊接变形时,就需要花许多工时去矫正。比较复杂的变形,矫正的工作量可能比焊接工作量还要大。当变形太大,无法矫正时,就造成了废品。因此了解和掌握焊接变形的种类、影响因素和规律对控制焊接变形具有十分重要的现实意义。
1焊接变形的定义及分类
焊接变形是由于焊接时在金属构件中产生不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服限,使局部区域产生的塑性变形。当温度恢复到原始的均匀状态后,在构件内就产生了新的内应力,这种内应力是温度均匀后残存于构件中的,所以称为残余应力,由此产生的焊接变形就称为焊接残余变形。
焊接变形一般按照变形的特点分为以下7类:
1)纵向收缩变形,即构件焊后在焊缝方向发生收缩;
2)横向收缩变形,即构件焊后在垂直焊缝方向发生收缩;
3)挠曲变形,构件焊后发生挠曲,这种挠曲可由焊缝的纵向收缩引起,也可由焊缝横向收缩引起;
4)角变形,即焊后构件的平面围绕焊缝产生了角位移;
5)波浪变形。焊后构件出现波浪形状,这种变形在薄板焊接时最容易发生;
6)错边变形。在焊接过程中,两焊接件的热膨胀不一致,可能引起长度方向上的错边,也可能引起厚度方向上的错边;
7)螺旋变形。焊后结构件出现类似麻花、螺旋形的扭曲。
2焊接变形的基本规律及影响因素
2.1纵向收缩变形以及由它所引起的挠曲变形
纵向收缩变形量的大小主要取决于构件的长度、截面积和压缩塑性变形的大小。而压缩塑性变形与焊接参数、焊接方法、焊接顺序以及材料的热物理参量有关。在这些工艺因素中,焊接线能量(Q=q/v,q为能量,v为焊接速度)是主要的。在一般情况下,纵向收缩变形与焊接线能量成正比的关系。对于同样截面积的焊缝来讲,多层焊每次所用的焊接线能量比单层焊时小得多,所以多层焊时引起的纵向收缩比单层焊小。分的层数越多,每层所用的线能量就越小,变形也越小。同理,间断焊的纵向收缩变形要比连续焊时小得多。
当焊缝在构件中的位置不对称时,焊缝引起的应力就是不均匀的,这样它不但使构件缩短,同时还使构件弯曲,产生挠曲变形。
2.2横向收缩变形及其产生的挠曲变形
横向变形的大小与焊接线能量和板厚有关,随着焊接线能量的提高,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。因此,焊缝的横向收缩沿着焊接方向是由小到大逐渐增长的,到一定程度后趋于稳定。
另外,采用埋弧自动焊时横向收缩量比板厚相近的手工电弧焊的横向收缩变形量小,采用气焊时横向收缩量比手工电弧焊的横向收缩量大。
如果横向焊缝在结构上分布不对称,那么它的横向收缩也能引起结构的挠曲变形。
2.3角变形
在堆焊、对接、搭接和丁字接头的焊接时,由于横向收缩变形在厚度方向上的不均匀分布,往往会产生角变形。
角变形的大小取决于构件的压缩塑性变形的大小和分布情况,同时也取决于板的刚度。对于同一种板厚,随着焊接线能量的增加,正反两面塑性变形量的差值将增加,角变形量也将增加。但当线能量达到某一值时,角变形不再上升,如果进一步提高线能量,反而会出现角变形减小的现象。这是因为线能量的进一步提高,使得板背面的温度随着提高,正反两面的塑性变形量的差值可能降低,所以角变形反而减少。
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。另外多道焊比多层焊的角变形要大。
2.4波浪变形
波浪变形一般在薄板焊接时出现较多。这是因为在薄板焊接时,由于焊接应力的作用,薄板可能发生失稳(薄板在承受压力时,当其中的压应力达到某一临界数值时,薄板将因出现波浪变形而丧失承载能力,这种现象通常称为失稳),从而产生波浪变形。
降低波浪变形可以从降低压应力和提高临界应力两方面着手。因压应力的大小和拉应力的区域大小成正比,故减小塑性变形区就可能降低压应力的数值。CO2气体保护焊所产生的塑性变形区比气焊和手工电弧焊小,断续焊比连续焊小,接触点焊比熔化焊小,小尺寸的焊缝比大尺寸的焊缝小。因此,采用塑性变形区小的焊接方法和措施就可以减少波浪变形。
2.5焊接错边
焊接过程中对接边的热不平衡是造成焊接错边的主要原因。另外焊接件的两边刚度不同也会造成错边,因为刚度越大的焊接边的位移越小,造成两边在焊接中不同步位移,从而产生错边。
2.6螺旋形扭曲变形
产生螺旋形扭曲变形的主要原因是由于焊缝角变形沿长度上的分布不均匀性和工件的纵向错边造成的。这种变形在较长梁形构件焊接时比较常见。
3焊接变形的预防错施
焊接残余变形可以从设计和工艺两个方面来进行预防。
3.1设计预防措施
3.1.1合理地选择焊缝的尺寸和形式
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,不仅焊接量大,而且焊接变形也大。所以在设计焊缝尺寸时应该在保证焊接质量的前提下,按照构件的板厚来选取工艺上尽可能小的焊缝尺寸。
不同的焊缝坡口形式所需要的焊缝金属量相差很大,应该选用焊缝金属少的坡口形式,以有利于减小焊接变形。
3.1.2尽可能减少不必要的焊缝
在条件允许的情况下,通过压型等加工手段来提高构件的刚性和稳定性,比采用拼接或增加加强筋的焊接方式更能够减少焊接变形。
3.1.3合理地安排焊缝的位置
在焊接构件设计时,安排焊缝时尽可能地对称于截面中性轴,或者使焊缝接近于中性轴,这对减少梁、柱等一类结构的挠曲变形有良好的效果。
3.2工艺预防措施
3.2.1反变形法
反变形法就是事先估计好结构变形的大小和方向,然后在装配时给予一个相反方向的变形,这个变形与焊接变形相互抵消,从而使焊后构件保持设计要求。
3.2.2刚性固定法
在没有反变形的情况下,将构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。
3.2.3合理地选择焊接方法和规范
通过前面的分析可以知道,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。
3.2.4选择合理的装配焊接顺序
在实际焊接生产中,通过把结构件适当地分成几个部件,分别加以装配焊接,然后再将这些焊好的部件拼焊成一个整体,可以使那些不对称的或收缩力较大的焊缝自由地收缩,而不影响整体结构,从而控制结构的焊接变形。
综上所述,只要在实际焊接生产中充分掌握了焊接变形的规律和预防焊接变形的措施,就能够最大限度地减少焊接变形,从而降低矫正焊接变形的工时,提高整体焊接生产的工作效率。
参考文献
陈祝年.焊接工程师手册.机械工业出版社,2002.