焊接變形的產生和防止

songxichen

由于手工電弧焊自身的焊接特點必然引起其焊接變形較大，如不對其變形的原因進行分析并針對其成因提出有效的對策，必將給生產帶來極大的危害。

loverymo

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焊接變形的產生和防止
手工電弧焊接過程中的變形成因及對策
8 c3 `' R% w( v, q/ X* S, E6 f* }在工業生產中，焊接作業特別是手工電弧焊作業作為制造、修理的一種重要的工藝方法得到越來越廣泛的運用。同時，由于手工電弧焊自身的焊接特點必然引起其焊接變形較大，如不對其變形的原因進行分析并針對其成因提出有效的對策，必將給生產帶來極大的危害。
一、 手工電弧焊接過程中的變形成因
; x* \. y: m; D2 {9 i! d; |$ m0 l    我們知道，手工電弧焊接過程中的焊接電弧由在兩個電極之間的氣體介質中產生持久的放電現象所產生的。
4 ?' [( h% o; m  ]4 m# x, S8 d    電弧的產生是先將兩電極相互接觸而形成短路，由于接觸電阻和短路電流產生電流熱效應的結果，使兩電極間的接觸點達到白熱狀態，然后將兩電極拉開，兩電極間的空氣間隙強烈地受熱，空氣熱作用后形成電離化；與此同時，陰極上有高速度的電子飛出，撞擊空氣中的分子和原子，將其中的電子撞擊出來，產生了離子和自由電子。在電場的作用下，陽離子向陰極碰撞；陰離子和自由電子向陽極碰撞。這樣碰撞的結果，在兩電極間產生了高熱，并且放射強光。
    電弧是由陰極區（位于陰極）、弧柱（其長度差不多等于電弧長度）和陽極區（位于陽極）三部分所組成。陰極區和陽極區的溫度，主要取決于電極的材料。一般地，隨電極材料而異，陰極區的溫度大約為2400K—3500K，而陽極區大約為2600K—4200K，中間弧柱部分的溫度最高，約為5000K—8000K。
' Z" \# }+ c4 c' n6 l# [+ V    焊接接頭包括焊縫和熱影響區兩部分金屬。焊縫金屬是由熔池中的液態金屬迅速冷卻、凝固結晶而成，其中心點溫度可達2500℃以上。靠近焊縫的基本金屬在電弧的高溫作用下，內部組織發生變化，這一區域稱為熱影響區。焊縫處的溫度很高，而稍稍向外則溫度迅速下降，熱影響區主要由不完全熔化區、過熱區、正火區、不完全正火區、再結晶區和藍脆區等段組成，熱影響區的寬度在8—30 mm范圍內，其溫度從底到高大約在500 ℃--1500℃之間。
6 q  B+ ]6 W% r/ m7 y4 }) z    金屬結構內部由于焊接時不均勻的加熱和冷卻產生的內應力叫焊接應力。由于焊接應力造成的變形叫焊接變形。
    在焊接過程中，不均勻的加熱，使得焊縫及其附近的溫度很高，而遠處大部分金屬不受熱，其溫度還是室內溫度。這樣，不受熱的冷金屬部分便阻礙了焊縫及近縫區金屬的膨脹和收縮；因而，冷卻后，焊縫就產生了不同程度的收縮和內應力（縱向和橫向），就造成了焊接結構的各種變形。金屬內部發生晶粒組織的轉變所引起的體積變化也可能引起焊件的變形。這是產生焊接應力與變形的根本原因。
3 s- F1 K6 o- P) c二、 焊件的殘余變形和應力的危害性
    在焊接過程中焊件將發生變形，隨著變形的產生，焊件內的應力狀態也發生了變化，而焊完并冷卻后所留下的變形和應力不是暫時的而是殘余的。通常焊件的殘余變形和應力是同時存在的，但在一般焊接結構中殘余變形的危害性比殘余應力大得多，它使焊件或部件的尺寸改變而無法組裝，使整個構件喪失穩定而不能承受載荷，使產品質量大大下降，而校正卻要消耗大量的精力和物力，有時導致產品報廢。同時焊接裂縫的產生往往也和焊接殘余變形和應力有著密切的關系。    有的金屬由于焊后產生了殘余應力而使的使用性能大為下降，從而對這類金屬的焊接件生產造成工藝上的大量困難。因此，在制造焊接結構時，必須充分了解焊接時內應力發生的機理和焊后決定工件變形的基本規律，以控制和減少它的危害性。
三、 影響焊接結構變形的主要因素及變形的種類
（一）、影響焊接結構變形的主要因素有：
1. 焊縫在結構中的位置；
2. 結構剛性的大小；
3. 裝配和焊接順序；
( N5 W( F5 P  ~4. 焊接規范的選擇。
* j( M% s) [) }4 j（二）、焊接變形的種類有：
) Z0 C* K( p. t1.縱向收縮和橫向收縮；
    在焊縫長度方向上的收縮稱縱向收縮，而在垂直于焊縫縱向的收縮稱橫向收縮。由于這種收縮，便使焊件發生了變形。
2.角變形；
3.彎曲變形；
4.波浪變形；
5 Q( g$ p. f  T/ K1 t' \2 Q5. 扭曲變形。
（三）、從焊接工藝上分析，影響焊縫收縮量的因素有：
8 {$ R. [0 S' w/ o    用手工電弧焊焊接長焊縫時，一般采用焊前沿焊縫進行點固焊。這不僅有利于減小焊接變形，也有利于減小焊接內應力。
0 c0 e. }: A' r0 [2 {- L! k5 {備料情況和裝配質量對焊接變形也會產生影響。
- T; W# a2 R& |/ O! ~, R6 F: i焊接工藝中影響焊縫收縮量的因素有：
2 t8 T4 o- I" Q6 ]6 ]0 w. {! ?1. 線膨脹系數大的金屬材料，其變形比線膨脹系數小的金屬材料大；
, ?6 k0 O% [. a4 y( B+ z2. 焊縫的縱向收縮量隨著焊縫長度的增加而增加；
' {! g# H% w5 \, r& r2 k8 p3. 角焊縫的橫向收縮比對接焊縫的橫向收縮小；
  J1 n0 S, i0 f5 s6 b+ A4. 間斷焊縫比連續焊縫的收縮量小；
6 j0 z4 G+ E4 s3 \5. 多層焊時，第一層引起的收縮量最大，以后各層逐漸減小；
6. 在夾具固定條件下的焊接收縮量比沒有夾具固定的焊接收縮量小，約減少40%--70%；
5 G+ \/ w2 J; O5 L7. 焊腳等于平板厚度的丁字接頭，角變形量較大。
四、 防止焊接變形的方法
# `' }. l5 [. h1 E3 P) ~4 n通過以上的分析，我們基本了解焊接變形的原因及變形的種類，針對焊接變形的原因和種類從焊接工藝上進行改進，可以有效防止和減少焊接變形所帶來的危害。下面，我們主要介紹幾種常見的防止焊接變形的方法。
1. 反變形法
# D" b- Y6 x( c    在焊前進行裝配時，預置反方向的變形量為抵消（補償）焊接變形，這種方法叫做反變形法。
4 r  B! @% q- {6 ~' D* r+ H5 K    圖1所示為8—12mm厚的鋼板V形坡口單面對接焊時，采用反變形法以后，基本消除了角變形。
/ h- |( ~/ W' H) W% b+ Q: a2. 利用裝配和焊接順序來控制變形；
: W3 J4 j- {. O* j0 k: l! e9 k6 ~    采用合理的裝配和焊接程序來減少變形，這在生產實踐中是行之有效的好辦法，如圖2（a）所示為一箱形梁，由于焊縫不對稱，焊后產生下撓彎曲變形。解決辦法是由兩人或四人，對稱地先焊只有兩條焊縫的一側，如圖2（b）中焊縫1和1然后就造成了如圖2 ©的上拱變形。由于這兩條焊縫焊后增加了箱形梁的剛性。當焊接另一側的兩條焊縫時，如先焊圖2(d)中焊縫2和2，最后再焊圖2(e)中焊縫3和3，就基本上防止了變形。
    有許多結構截面形狀對稱，焊縫布置也對稱，但焊后卻發生彎曲或扭曲的變形，這主要是裝配和焊接順序不合理引起的，也就是各條焊縫引起的變形，未能相互抵消，于是發生變形。
- r& \8 b: ?3 }5 q5 v3 G( o, T焊接順序是影響焊接結構變形的主要因素之一，安排焊接順序時應注意下列原則：
5 u" p- i9 f* [8 h1）盡量采用對稱焊接。對于具有對稱焊縫的工作，最好由成對的焊工對稱進行焊接。這樣可以使由各焊縫所引起的變形相互抵消一部分。
2）對某些焊縫布置不對稱的結構，應先焊焊縫少的一側。
2 E( H; h* J  C" C3）依據不同焊接順序的特點，以焊接程序控制焊接變形量。常見的焊接順序有五種，即：
a.分段退焊法
    這種方法適用于各種空間的位置的焊接，除立焊外，鋼材較厚、焊縫較長時都可以設擋弧板，多人同時焊接。其優點是可以減小熱影響區，避免變形。每段長應為0.5—1m。見圖2(f)
9 v/ \' Q1 `+ O( E  b" p- pb.分中分段退焊法
* {" N* a5 v; Q3 R) g    這種方法適用于中板或較薄的鋼板的焊接，它的優點是中間散熱快，縮小焊縫兩端的溫度差。焊縫熱影響區的溫度不至于急劇增高，減少或避免熱膨脹變形。這種方法特別適用于平焊和仰焊，橫焊一般不采用，立焊根本不能用。見圖2(g)
# U2 J0 l, J- i$ X9 u" G/ w+ p1 |c.跳焊法
    這種方法除立焊外，平焊、橫焊、仰焊三種方法都適用，多用在6—12mm厚鋼板的長焊縫和鑄鐵、不銹鋼、銅的焊接上，可以分散焊縫熱量，避免或減小變形。鋼材每段焊縫長度在200—400mm之間；鑄鐵焊件按鑄鐵焊接規范處理；不銹鋼和銅由于導熱快，每段長不宜超過200mm (薄板應短些)。見圖 2(h)  
1 o8 s' R% U( U4 Y( p6 k3 V9 t% A, Pd.交替焊法
; ]# P+ L& u: Z; U    這種焊法和跳焊法基本相同，只是每段焊接距離拉長，特別適用于薄板和長焊縫。見圖2(i)
e.分中對稱法
( c0 f" q0 [" d/ u. w這種方法適用于焊縫較短的焊件，為了減小變形，由中心分兩端一次焊完。見圖2(j)
) g6 h2 ~! I& Z" I! o- g% j3.剛性固定法
    剛性固定法減小變形很有效，且焊接時不必過分考慮焊接順序。缺點是有些大件不易固定，且焊后撤除固定后，焊件還有少許變形和較大的殘余應力。這種方法適用于焊接厚度小于6mm及韌性較好的薄壁材料。如果與反變形法配合使用則效果更好。
對于形狀復雜，尺寸不大，又是成批生產的焊件，可設計一個能夠轉動的專用焊接胎具，既可以防止變形，又能提高生產率。  
* [& C- j5 ?* N! I- Z" |& @7 L( C2 O當工件較大，數量又不多時，可在容易發生變形的部位臨時焊上一些支撐或拉桿，增加工件的剛性，也能有效的減少焊接變形。
3. 散熱法
/ M" E3 F6 ]% ?    散熱法又稱強迫冷卻法，即將焊接處的熱量迅速散走，使焊縫附近的金屬受熱面大大減少，達到減小焊接變形的目的。圖 3（a）為水浸法示意圖，常用于表面堆焊和焊補。圖3(b)是散熱法示意圖，用紫銅作散熱墊，有的還鉆孔通冷卻水，這些墊板越靠近焊縫效果越好。但散熱法比較麻煩，且對于淬火傾向大的鋼材不宜采用，否則易裂。
4. 錘擊焊縫法
    錘擊焊縫法，即用圓頭小錘對焊縫敲擊，可減少焊接變形和應力。因此對焊縫適當鍛延，使其伸長來補償這個縮短，就能減小變形和應力。錘擊時用力要均勻，一般采用0.5Kg—1.0Kg的手錘，其端部為圓角（R=3—5mm）。底層和表面焊道一般不錘擊，以免金屬表面冷作硬化。其余各道焊完一道后立刻錘擊，直至將焊縫表面打出均勻致密的點為止。
五、 常見復雜構件防止變形的方法
+ O5 ]  }( J; G! O1. 鋼架的焊接
$ c  V+ s1 [+ x2 _) G, B    鋼架焊接的關鍵問題，是如何保證強度和防止變形。從工藝上保證強度能適應載荷的變化，其變形量不致影響安裝和使用的要求，因此：
1）焊縫的高度和長度，要按圖施工。裝配誤差要小，坡口要清理干凈。
; c( G6 c8 C4 F! g* N2）鋼架的焊接一般先焊腹桿與節點板之間的焊縫，然后再焊上、下弦與節點板之間的焊縫，焊接順序不應集中，而應在節點間間隔跳開焊接（見圖4(a)）。
3）節點板與桿件之間的橫向焊縫不焊（見圖4(b)），各種焊縫應盡量采用船形焊。
+ H5 z: }  Q( M& q; A# p2 P2. 鍋爐集箱管接頭的焊接
鍋爐集箱管接頭焊縫集中，又偏于一側，焊后產生較大的彎曲變形，見圖5 在圓筒上側有兩排共26個管接頭。
  w% v4 ]$ x" I' ?( \9 d8 B    采用跳焊的焊接順序可解決變形問題。先由一名焊工在第一根集箱上相隔2—3個管接頭跳焊一個接頭。跳焊完第一根后接著又到第二根進行同樣的跳焊。依次把6—10根集箱跳焊過一遍后，再反過來從第一根開始跳焊第二遍，這時早已焊好的管接頭溫度已降低到40℃--50℃以下。這樣反復跳焊幾遍直到全部管接頭焊完。焊后雖然尚有2—3mm彎曲變形，但已在公差范圍內，達到質量要求。

yuhuayan

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王占武

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鉆木取火

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wangbao19

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