焊接中應(yīng)力與變形

1、焊接中應(yīng)力與變形 焊接應(yīng)力與變形 焊接中應(yīng)力與變形 主要內(nèi)容 焊接變形的種類及其影響因素 控制焊接變形的措施 矯正焊接變形的方法 焊接中應(yīng)力與變形 焊接變形的種類及其影響因素 按照變形的外觀形態(tài)來分，可分為：收縮變形、 角變形、彎曲變形、失穩(wěn)變形(波浪變形)和扭曲變 形，圖1-29 1.收縮變形：焊件尺寸比焊前縮短的現(xiàn)象，如圖1- 30 2.角變形：產(chǎn)生的根本原因是由于焊縫的橫向收縮 沿板厚分布不均勻所致，如圖1-34 3.彎曲變形：是由于焊縫的中心線與結(jié)構(gòu)截面的中 性軸不重合或不對(duì)稱， 焊接中應(yīng)力與變形 波浪變形：常發(fā)生于板厚小于6mm的薄板焊接結(jié)構(gòu)中 ，又稱之為失穩(wěn)變形。 通過降低焊接殘余

2、應(yīng)力和提高焊件失穩(wěn)臨界應(yīng)力來 防止波浪變形。此外，角變形也可能產(chǎn)生類似的波 浪變形，如圖1-39 扭曲變形：主要是因?yàn)楹缚p的角變形沿焊縫長度方 向分布不均勻所引起的。如圖1-40 焊接中應(yīng)力與變形 圖1-29 a) b) c) d) e) 圖1-29 焊接變形的基本變形形式 a)收縮變形 b)角變形 c)彎曲變形 d)波浪變形 e)扭曲變形 返回 焊接中應(yīng)力與變形 收 縮 變 形 （1）縱向收縮變形：沿焊縫軸線方向尺寸的縮短 （2）橫向收縮變形：沿垂直于焊縫軸線方向尺寸的 縮短。 焊接中應(yīng)力與變形 縱向收縮變形的影響因素 1）與截面積有關(guān)：焊件的截面積越大，焊件的縱向 收縮量越小 2）與長度有

3、關(guān)：焊縫的長度越長，焊件的縱向收縮 量越大 3）與焊接層次有關(guān)：多層焊時(shí)每層焊縫所產(chǎn)生的壓 縮塑性變形比單層焊時(shí)小，如圖1-31 焊接中應(yīng)力與變形 4）與溫度有關(guān)：焊件的原始溫度提高，焊后縱向收 縮量增大 5）與材料性質(zhì)有關(guān)：線膨脹系數(shù)大的材料，焊后縱 向收縮量大 焊接中應(yīng)力與變形 焊接中應(yīng)力與變形 圖1-31 圖1-31 單層焊和雙層焊的塑性變形區(qū)對(duì)比 a)單層焊 b)雙層焊 為第一層焊縫產(chǎn)生的塑性變形區(qū) 為第二層焊縫產(chǎn)生的塑 性變形區(qū) 返回 焊接中應(yīng)力與變形 橫向收縮變形的影響因素 1）與熱輸入有關(guān)：橫向收縮變形隨焊接熱輸入增大 而增加。 2）與間隙有關(guān)：裝配間隙增加，橫向收縮也增加， 如

4、圖1-32 3）與焊接長度有關(guān)：焊縫的橫向收縮沿焊接方向由 小到大，逐漸增大到一定程度后便趨于穩(wěn)定。 焊接中應(yīng)力與變形 4）與拘束程度有關(guān)：定位焊縫越長，橫向收縮變形 量就越小 5）與金屬填充量有關(guān)：對(duì)接接頭的橫向收縮量隨焊 縫金屬量的增加而增加大的 6）與焊接方法有關(guān)：焊接方法對(duì)橫向收縮量也有影 響。 7）與焊縫形式有關(guān)：角焊縫的橫向收縮要比對(duì)接焊 縫小得多。 焊接中應(yīng)力與變形 圖1-32 圖1-32 帶間隙平板對(duì)接焊的橫向收縮變形過 程 焊接中應(yīng)力與變形 角變形的影響因素 與板厚有關(guān)：當(dāng)熱輸入一定時(shí)，板厚越大，角變 形越大； 與熱輸入有關(guān)：板厚一定，熱輸入增大，角變形 也增； 與坡口形式有

5、關(guān)：對(duì)接接頭坡口截面不對(duì)稱的焊 縫，其角變形大；坡口角度越大，角變形越大 與焊接順序有關(guān)：焊接順序也會(huì)影響角變形的大 小，如圖1-35 焊接中應(yīng)力與變形 焊接中應(yīng)力與變形 圖1-34 a) b) c) 圖1-34 幾種接頭的角變形 a)堆焊 b)對(duì)接接頭 c)T形接頭 焊接中應(yīng)力與變形 圖1-35 a) b) c)d) 圖1-35 角變形與焊接順序的關(guān)系 a)對(duì)稱坡口非對(duì)稱焊 b)對(duì)稱坡口對(duì)稱交替焊 c)對(duì)稱坡口對(duì)稱焊 d)非對(duì)稱坡口非對(duì)稱焊 焊接中應(yīng)力與變形 彎曲變形的影響因素 （1）縱向收縮引起的彎曲變形：如圖1-37所示為不 對(duì)稱布置焊縫的縱向收縮所引起的彎曲變形。 當(dāng)焊縫位置對(duì)稱或接近

6、于截面中性軸，則彎曲變形 就比較小。 （2）橫向收縮引起的彎曲變形：焊縫的橫向收縮在 結(jié)構(gòu)上分布不對(duì)稱時(shí)引起的，如圖1-38 焊接中應(yīng)力與變形 焊接中應(yīng)力與變形 圖1-37 圖1-37 焊縫的縱向收縮引起的彎曲變形 焊接中應(yīng)力與變形 圖1-38 圖1-38 焊縫橫向收縮引起的彎曲變形 焊接中應(yīng)力與變形 圖1-39 圖1-39 焊接角變形引起的波浪變形 返回 焊接中應(yīng)力與變形 焊接中應(yīng)力與變形 控制焊接變形的措施 1.設(shè)計(jì)措施 （1）選擇合理的焊縫形狀和尺寸： （2）減少焊縫的數(shù)量： （3）合理安排焊縫位置：如圖1-43、圖1-44 焊接中應(yīng)力與變形 2.工藝措施 （1）留余量法： （2）反變形

7、法：主要用于控制角變形和彎曲變形 （3）剛性固定法： （4）合理地選擇焊接方法和焊接參數(shù)： （5）熱平衡法：如圖1-57 （6）散熱法：如圖1-58 焊接中應(yīng)力與變形 b) a) 圖1-42 T形接頭的坡口 a)角變形大 b)角變形小 圖1-41 相同承載能力的十字接 頭 1）選擇最小的焊縫尺寸 2）選擇合理的坡口形式 焊接中應(yīng)力與變形 焊接中應(yīng)力與變形 正確的確定裝配、焊接順序 不正確的裝配次序： 工字構(gòu)件，先丁字，然后在裝另一塊蓋板 ，焊后仍有較大的撓度. 正確應(yīng)該是: 先點(diǎn)固成工字，然后焊接，注意次序 . 焊接中應(yīng)力與變形 焊接中應(yīng)力與變形 選擇適當(dāng)?shù)氖┖复涡蚝头较?原則： 翻轉(zhuǎn)輔助時(shí)間

8、的交替焊，盡可能增加截面對(duì)稱的構(gòu)件應(yīng)對(duì)稱 最后焊，對(duì)構(gòu)件變形影響大的先焊離構(gòu)件形心軸近的 縫時(shí)，先焊少的一側(cè)當(dāng)結(jié)構(gòu)形心軸兩側(cè)有焊 . 3 . 2 . 1 焊接中應(yīng)力與變形 焊接中應(yīng)力與變形 圖1-44 a) b) 圖1-44 合理安排焊縫位置防止焊接變形 a)不合理 b)合理 焊接中應(yīng)力與變形 圖1-45 a) b) c) 圖1-45 無外力作用下的反變形法 a)平板對(duì)接焊 b)電渣對(duì)接立焊 c)工字梁 翼板反變形 焊接中應(yīng)力與變形 焊接中應(yīng)力與變形 焊接中應(yīng)力與變形 焊接中應(yīng)力與變形 剛性固定法 1）將焊件固定在剛性平臺(tái)上，如圖1-48 2）將焊件組合成剛度更大或?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)，如圖1-49 3

9、）利用焊接夾具增加結(jié)構(gòu)的剛度和拘束，如圖1-50 4）利用臨時(shí)支撐增加結(jié)構(gòu)的拘束，如圖1-51 焊接中應(yīng)力與變形 圖1-48 圖1-48 薄板拼接時(shí)的剛性固定 焊接中應(yīng)力與變形 圖1-49 圖1-49 T形梁的剛性固定與反變形 焊接中應(yīng)力與變形 圖1-50 圖1-50 對(duì)接拼板時(shí)的剛性固定 焊接中應(yīng)力與變形 選擇合理的裝配焊接順序 1）大而復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，先將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的部件單獨(dú) 進(jìn)行焊接，再總裝成整體。 2）焊縫應(yīng)盡量靠近結(jié)構(gòu)截面的中性軸，如圖1-52 3）對(duì)于焊縫非對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)，裝配焊接時(shí)應(yīng)先焊 焊縫少的一側(cè)，如圖1-53 4）焊縫對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)，應(yīng)由偶數(shù)焊工對(duì)稱施焊， 如圖1-54 5）

10、長焊縫焊接時(shí)，可采用圖1-55所示的方向和順序 進(jìn)行焊接，以減小其焊后的收縮變形 焊接中應(yīng)力與變形 選擇合理的裝配焊接順序 1）大而復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，先將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的部件單獨(dú) 進(jìn)行焊接，再總裝成整體。 2）焊縫應(yīng)盡量靠近結(jié)構(gòu)截面的中性軸，如圖1-52 3）對(duì)于焊縫非對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)，裝配焊接時(shí)應(yīng)先焊 焊縫少的一側(cè)，如圖1-53 4）焊縫對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)，應(yīng)由偶數(shù)焊工對(duì)稱施焊 ，如圖1-54 5）長焊縫焊接時(shí)，可采用圖1-55所示的方向和順序 進(jìn)行焊接，以減小其焊后的收縮變形 焊接中應(yīng)力與變形 圖1-52 a) b) 圖1-52 主梁裝配焊接 a) 形梁結(jié)構(gòu)示意圖 b) 形梁的裝配焊接方案 a) 焊接中

11、應(yīng)力與變形 圖1-53 a) b)c)d) 圖1-53 壓力機(jī)壓型上模的焊接順序 a)壓型上模結(jié)構(gòu)圖 b)、c)、d)焊接順序 焊接中應(yīng)力與變形 圖1-54 圖1-54 圓筒體對(duì)接焊縫的焊接順序 焊接中應(yīng)力與變形 圖1-55 a)b) c) d) 圖1-55 長焊縫的幾種焊接順序 焊接中應(yīng)力與變形 圖1-56 圖1-56 非對(duì)稱截面結(jié)構(gòu)的焊接 焊接中應(yīng)力與變形 提高母材塑性 避免焊縫交叉 避免焊縫過寬過長 合理焊接順序 先焊短焊縫 后焊長焊縫 預(yù)熱焊件、振動(dòng)焊縫 焊后退火 焊接焊縫順序 a容器底板的拼焊 焊接中應(yīng)力與變形 X形坡口對(duì)接接頭的變形 a合理的焊接順序 b不 合理的焊接順序 焊接中應(yīng)

12、力與變形 圖1-57 圖1-57 采用熱平衡法防止焊接變形 焊接中應(yīng)力與變形 圖1-58 a) b) c) 圖1-58 散熱法示意圖 a)水浸法散熱 b)噴水法散熱 c)散熱墊法散 熱 焊接中應(yīng)力與變形 對(duì)接接頭橫向變形的實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù) 焊接中應(yīng)力與變形 丁字接頭及搭接接頭橫 向收縮 焊接中應(yīng)力與變形 對(duì)接接頭角變形 焊接中應(yīng)力與變形 丁字接頭和搭接接頭 的角變形 焊接中應(yīng)力與變形 焊接順序的基本規(guī)則 下面所列出的是焊接順序的基本規(guī)則，使用 時(shí)應(yīng)經(jīng)常驗(yàn)證，是否能最大限度地避免焊接變形和 內(nèi)應(yīng)力。但當(dāng)母材、材料厚度及焊接材料或輔助材 料一定時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)例外情況。 焊接時(shí)應(yīng)盡量減少熱輸入量和填充金屬

13、組焊結(jié)構(gòu)應(yīng)合理分配各個(gè)組單元，并進(jìn)行合理的 組對(duì)焊接 位于構(gòu)件剛性最大的部位最后焊接（盡可能使構(gòu) 件能自由伸縮） 焊接中應(yīng)力與變形 由中間向兩 側(cè)對(duì)稱焊接 焊接中應(yīng)力與變形 先焊對(duì)接焊縫，后焊 角接焊縫 焊接中應(yīng)力與變形 先焊短焊縫， 后焊長焊縫 焊接中應(yīng)力與變形 先焊對(duì)接 焊縫，后 焊環(huán)焊縫 焊接中應(yīng)力與變形 工藝原則 焊接時(shí)預(yù)熱和跟蹤加熱 錘擊或碾壓焊縫 的自由度反變形法來增加焊縫處 的焊縫時(shí)，可采用剛性較大、自由度較小在焊接封閉焊縫后其他 然后在焊直通的長焊縫 開的短焊縫在拼板時(shí)，應(yīng)先拼焊錯(cuò) 焊縫先焊工作時(shí)受力較大的 先焊收縮量較大的焊縫 方向采用合理的焊接順序和 . 4 . 3 . 2 . 3 . 2 . 1 . 1 焊接中應(yīng)力與變形 焊接中應(yīng)力與變形 焊接中應(yīng)力與變形 矯正焊接變形的方法 1.手工矯正法:主要用于矯正一些小型簡(jiǎn)單焊件的彎 曲變形和薄板的波浪變形 2.機(jī)械矯正法：適用于塑性較好的材料及形狀簡(jiǎn)單 的焊件，如圖1-59 3.火焰加熱矯正法：利用火焰對(duì)焊件進(jìn)行局部加熱 ，使焊件產(chǎn)生新的變形來抵消焊接變形 （1）點(diǎn)狀加熱，如圖1-60 （2）線狀加熱，如圖1-