课题七焊接残余变形与应力预防措施.ppt

BX1-300焊接残余变形与应力焊接残余变形与应力预防预防和矫正和矫正措施措施学习目标•知识目标：•1.识记控制焊接残余应力的措施•2.理解控制焊接变形的方法 • •能力目标：•理论联系实践，把理论应用到生产实习中 主要内容一、防止和减少焊接残余变形与应力的措施一、防止和减少焊接残余变形与应力的措施二、焊接残余应变的矫正及残余应力的消除二、焊接残余应变的矫正及残余应力的消除一、防止和减少措施一、防止和减少措施•1.焊接结构的合理设计焊接结构的合理设计• 合理的设计方案是控制焊接残余变形与应力的重要措施• 在焊接结构的设计时要考虑：在保证结构有足够强度的前提下，尽量减少焊缝的数量和尺寸，对称布置焊缝，必要时预先留出收缩余量，适当采用冲压结构，减少焊接结构，将焊缝布置在最大工作应力之外，留出装焊夹具的位置 •2.控制焊接残余变形的工艺措施控制焊接残余变形的工艺措施•（（1）选择合理的装焊顺序）选择合理的装焊顺序• 采用不同的装配、焊接顺序，焊后会产生不同的变形效果• 先装配后焊接• 工字梁的两种装焊顺序A先装配、焊接成丁字形，然后再装配另一块翼板，最后焊成工字梁。

采用这种焊装顺序，焊接丁字形结构时，由于焊缝在中性轴的下方，焊后将产生较大的上供弯曲变形，即使另一块翼板焊后产生反向弯曲变形，也难以抵消原来的变形，最后工字梁形成上供弯曲变形• B先整体装配成工字梁，然后再进行焊接，梁的刚性增加，再采用对称、分段焊接顺序，焊后上供弯曲变形就小得多• 内部有大小隔板封闭箱形梁结构，不能采用先装后焊的装焊顺序，必须先制成 形梁后，才能制成箱形梁首先将大小隔板与上盖板装配好，随后焊接焊缝1，接着按图示装焊•（（2）采取合理的焊接顺序）采取合理的焊接顺序•1）对称焊接• 如果焊接结构的焊缝是对称分布的，采用对称焊接• 工字梁，当采用1、2、3、4的焊接顺序时，虽然焊缝对称，焊后仍会产生较大的上供弯曲变形应该注意焊接顺序，因为焊接结构的刚性会随着先焊焊缝熔覆量的增加而增大，同时所产生的变形也增大在结构刚性增大的情况下，后焊产生的反变形不能完全抵消原先产生的变形•工字梁正确的焊接方法为：•1、2焊缝的长度分成若干段，采取分段、跳焊的对称焊接，先焊完总长度的60~70%，然后翻转180°焊接3、4焊缝，也采取分段、跳焊的对称焊将3、4焊缝全部焊完，再翻转试件，将1、2焊缝焊完。

•这样通过先后熔覆金属的差量来控制变形•2）不对称焊缝先焊焊缝少的一侧）不对称焊缝先焊焊缝少的一侧• 如果焊接结构的焊缝是不对称的，采用先焊焊缝少的一侧，后焊多的一侧，使后焊的焊缝产生的变形足以抵消先前的变形，以使总体变形减小• 压力机的上模结构如果先焊焊缝多的一侧，结构将出现总体下挠弯曲变形先焊1和1‘焊缝少的一侧，焊后出现上供变形，接着焊接2、2’及3、3’焊缝多的一侧，则焊后它们的收缩足以抵消先前产生的上供变形如果按图e的焊接顺序进行船形焊，焊后变形最小 •3）采用不同的焊接顺序）采用不同的焊接顺序• 结构中存在长焊缝时，不宜采用直通焊在实践中，经常采用不同焊接顺序控制变形其中分段退焊法、分中分段焊法、跳焊法和交替焊法，常用与长度为1m以上的焊缝；长度为0.5~1m的焊缝可用分中对称焊法退焊法和跳焊法的每段焊缝长度一般为100~350mm•（（3）反变形法）反变形法• 为了抵消焊接残余变形，焊前预先使焊件向焊接变形相反的方向变形V形坡口中采用另外一种做法是两块焊件对接装配时，采取终焊端的根部间隙比起焊端大，以避免焊接过程中，由于纵、横向收缩，促使终焊端的间隙变小而影响打底层焊接质量。

• 工字梁控制角变形，可在焊前预先将翼板制成反变形，然后按图C所示的装配角度和焊接顺序进行焊接，以抵消焊后变形•（（4）刚性固定法）刚性固定法•焊接前对焊件采取外加刚性约束，使焊件在焊接时不能自由变形•几种不同焊接结构采取刚性固定法的实例•（（5）散热法）散热法• 焊接时用强迫冷却的方法将焊接区的热量带走，使受热面积大为减小，从而达到减小变形的目的•将焊件浸入水中焊接•喷水冷却焊接•水冷紫铜板散热焊接•注意：散热发不适用与淬硬倾向较高的材料，否则会产生裂纹•1、设计措施、设计措施 •（（1）合理选择焊件尺寸）合理选择焊件尺寸 •（（2）合理选择焊缝尺寸和坡口形式）合理选择焊缝尺寸和坡口形式 •（（3）尽量减少不必要的焊缝）尽量减少不必要的焊缝 •（（4）合理安排焊缝位置）合理安排焊缝位置 •2、工艺措施、工艺措施 •（（1）反变形法）反变形法 •（（2）刚性固定方法）刚性固定方法 •（（3）合理选择焊接方法及焊接规范）合理选择焊接方法及焊接规范 •（（4）采用合理的装配焊接顺序）采用合理的装配焊接顺序 •（（5）散热发）散热发方案方案a: 3－－1－－2 f1+f2+f3方案方案b : 1－－2－－3 f1+f2－－f3方案方案c：：2－－1－－3 f1 －－f3•3.控制焊接残余应力的工艺措施控制焊接残余应力的工艺措施• （（1）选择合理的焊接顺序）选择合理的焊接顺序•1）尽可能使焊缝自由伸缩• 减少焊接结构在施焊时的约束，最大限度地减小焊接残余应力。

• 大型容器底部有许多平板拼接而成焊接应从中间向四周进行，以使焊缝的收缩从内向外依次产生同时先焊横向（短）焊缝，后焊纵向（长）焊缝• 带肋板的工字梁的焊接顺序，两边对称地逐格焊接，使构件自由收缩•2）先焊收缩量大的焊缝• 先焊收缩量大、焊后可能产生较大的焊接残余应力的焊缝，使焊缝收缩时的约束度小，故焊接残余应力也小如同一结构上既有对接焊缝，又有角接焊缝时，应先焊收缩量相对较大的对接焊缝•3）先焊交叉焊缝的短焊缝，后焊直通长焊缝•保证短焊缝焊后有自由收缩的可能•合理选择焊接顺序和方向合理选择焊接顺序和方向(先横后纵先横后纵)112233按焊缝长短确定焊接顺序按焊缝长短确定焊接顺序•（（2）选择合理的焊接工艺参数）选择合理的焊接工艺参数• 焊接时尽可能采用小直径焊条和较小的焊接电流，减小受热范围•（（3）采用预热的方法）采用预热的方法• 预热温度一般在150~350℃之间目的是减小焊接区和结构整体的温度差，以使焊缝区与结构整体尽可能地均匀冷却，从而减小内应力常用于淬硬倾向较大的材料•（（4）加热）加热“减应区减应区”法法• 在焊接或补焊刚性很大的结构时，选择适当的部位进行加热使之伸长，加热区的伸长带动焊缝部位，使其产生与焊缝收缩方向相反的变形，然后再进行焊接。

冷却时，加热区的收缩与焊缝的收缩方向相同，使焊缝有自由收缩的可能，焊接残余应力可大为减小图1-124f•如带轮轮辐、轮缘的断口补焊•（（5）敲击法）敲击法• 在焊后冷却过程中，用锤子或风锤敲击焊缝，促使它产生塑性变形，以抵消焊缝的一部分收缩量进行敲击时，温度应当维持在100~150℃之间或400℃以上应避免在200~300℃之间的蓝脆性阶段进行，以防敲击产生裂纹• 多层焊时，第一层不敲击，避免根部裂纹，最后一层也不敲击，以保持焊缝表面美观二、矫正和消除措施•1.焊接残余变形的矫正方法焊接残余变形的矫正方法•（（1）机械矫正法）机械矫正法• 工字梁焊后变形的矫正低碳钢结构，焊后直接应用此法，一般合金钢结构，焊后先进行消除应力处理，再机械矫正，否则容易断裂• 薄板波浪变形的机械矫正，采用捶打焊缝区的拉应力段•（（2）火焰矫正法）火焰矫正法• 采用氧-乙炔火焰或其他气体火焰，以不均匀加热方式引起结构某部位变形来矫正原有的残余变形• 具体方法是将变形构件的局部，加热到600~800℃，钢板呈褐红色（低碳钢），自然冷却或强制冷却，使之冷却后产生收缩变形来抵消原有的变形。

钢铁加热火色与温度之间的关系钢铁加热火色与温度之间的关系 火色火色温度温度℃1暗褐色暗褐色520~5802暗暗红色色 580~6503暗暗樱色色 650~7504樱红色色 750~7805淡淡樱红色色 780~8006淡淡红色色 800~8307桔黄微桔黄微红 830~8508淡枯色淡枯色 880~10509黄色黄色 1050~115010淡黄色淡黄色1150~125011黄白色黄白色1250~130012亮白色亮白色1300~1350•火焰加热方式有三种：•1）点状加热矫正•钢板和钢管实例•8mm以下钢板波浪边形，其加热点直径d一般不小于15mm，点间距离l随变形量的大小而变，残余变形越大，l越小，一般在50~100mm之间变动为提高矫正速度和避免冷却后在加热处出现小泡突起，加热完毕后立即用木锤捶打加热点及其周围，然后水冷•B为钢管弯曲的点状加热矫正加热温度为800℃，加热速度要快，加热一点后迅速移到另一点加热用同样的方法加热、自然冷却一到两次•3）线状加热矫正• 火焰沿着直线方向或者同时在宽度方向作横向摆动的移动，形成带状加热• 加热线的横向收缩大于纵向收缩，加热线的宽度越大，横向收缩也越大。

加热线的宽度一般取钢板厚度的0.5~2倍多用于变形较大或刚性较大的结构• 水火矫正，一般用于厚度不小于8mm的钢板，两者距离在25~30mm•3）三角形加热矫正）三角形加热矫正• 加热部位是在弯曲变形构件的凸缘，三角形的底边在被矫正构件的边缘，顶点朝内，可加外力或用水火矫正• 常用于矫正厚度较大、刚性较强构件的弯曲变形•2.消除焊接残余应力的方法消除焊接残余应力的方法•（（1）整体高温回火热处理）整体高温回火热处理• 将焊件整体加热至材料相变点以下的某一温度范围（550~650℃），保温一定时间（1~2min/mm，不少于30min，不高于3h），然后均匀、缓慢冷却• 利用材料在此温度下屈服点降低，使内部残余应力高的部位产生塑性变形• 14MnMoVB消除残余应力热处理工艺曲线•（（2）局部高温回火热处理）局部高温回火热处理• 用红外线加热器、工频感应加热器等进行局部加热，以降低焊件内应力峰值，部分消除应力加热宽度一般应不小于焊件厚度的4倍在冷却时用绝缘材料包裹加热区域，进行缓冷•（（3）机械拉伸法）机械拉伸法• 对焊件构件进行加载，使焊后产生的压缩残余变形得到拉伸，可减小焊接引起的局部压缩塑性变形量，降低内应力。

例如焊接压力容器的水压试验•（（4）温差拉伸法）温差拉伸法• 利用适当宽度的火焰炬，在焊缝两侧加热，随同喷水冷却，使两侧的金属受热（200℃）冷却，对温度较低（100℃）的焊缝区进行拉伸，产生塑性变形，抵消原来的压缩塑性变形，从而消除内应力• 适用于焊缝比较规则，厚度小于40mm的板、壳结构•（（5）振动法）振动法• 利用偏心轮和变速电动机组成的激振器，使焊接结构产生共振，降低内应力• 适用于大型焊接结构控制焊接变形的措施（补充）（1）选择合理的焊缝形状和尺寸：（2）减少焊缝的数量：（3）合理安排焊缝位置：如图1-43、图1-44（1）留余量法：（2）反变形法：主要用于控制角变形和弯曲变形（3）刚性固定法：（4）合理地选择焊接方法和焊接参数：（5）热平衡法：如图1-57（6）散热法：如图1-58NEXT图1-41、42返回b)a)图1-42 T形接头的坡口a)角变形大 b)角变形小图1-41 相同承载能力的十字接头1）选择最小的焊缝尺寸2）选择合理的坡口形式图1-43返回图1-44a)b)图1-44 合理安排焊缝位置防止焊接变形a)不合理 b)合理返回图1-45a)b)c)图1-45 无外力作用下的反变形法a)平板对接焊 b)电渣对接立焊 c)工字梁翼板反变形返回刚性固定法1）将焊件固定在刚性平台上，如图1-482）将焊件组合成刚度更大或对称的结构，如图1-493）利用焊接夹具增加结构的刚度和拘束，如图1-504）利用临时支撑增加结构的拘束。

返回图1-48图1-48 薄板拼接时的刚性固定返回图1-49图1-49 T形梁的刚性固定与反变形返回图1-50图1-50 对接拼板时的刚性固定返回选择合理的装配焊接顺序1）大而复杂的焊接结构，先将结构简单的部件单独进行焊接，再总装成整体2）焊缝应尽量靠近结构截面的中性轴，如图1-523）对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧，如图1-534）焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称施焊，如图1-545）长焊缝焊接时，可采用图1-55所示的方向和顺序进行焊接，以减小其焊后的收缩变形NEXT图1-52a)b)图1-52 主梁装配焊接a) Ⅱ形梁结构示意图 b) Ⅱ形梁的装配焊接方案返回a)b)图1-53a)b)c)d)图1-53 压力机压型上模的焊接顺序a)压型上模结构图 b)、c)、d)焊接顺序返回图1-54图1-54 圆筒体对接焊缝的焊接顺序返回图1-55a)b)c)d)图1-55 长焊缝的几种焊接顺序返回图1-56图1-56 非对称截面结构的焊接返回图1-57图1-57 采用热平衡法防止焊接变形返回图1-58a)b)c)图1-58 散热法示意图a)水浸法散热 b)喷水法散热 c)散热垫法散热返回矫正焊接变形的方法1.手工矫正法:主要用于矫正一些小型简单焊件的弯曲变形和薄板的波浪变形2.机械矫正法：适用于塑性较好的材料及形状简单的焊件，如图1-593.火焰加热矫正法：利用火焰对焊件进行局部加热，使焊件产生新的变形来抵消焊接变形（1）点状加热，如图1-60（2）线状加热，如图1-61（3）三角形加加热，如图1-62火焰矫正变形的效果取决于三个因素：（1）加热方式（2）加热位置（3）加热温度和加热面积NEXT图1-59图1-59 机械矫正法返回图1-60图1-60 点状加热返回适用于波浪变形图1-61a)b)c)图1-61 线状加热a)直通加热 b)链状加热 c)带状加热返回适用于角变形图1-62图1-62 工字梁弯曲变形的火焰矫正返回弯曲变形适用于一、焊接变形与应力的控制措施：一、焊接变形与应力的控制措施： ◆◆设计措施: ◆◆工艺措施:二、矫正焊接变形与应力的方法：二、矫正焊接变形与应力的方法： ◆◆机械矫正法：加压、碾压 ◆◆火焰矫正法:点状、线状、三角状 ◆◆回火热处理、拉伸、振动小小 结结。