焊接變形的產(chǎn)生和防止

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

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焊接變形的產(chǎn)生和防止
% O: N5 S2 ^- u; u手工電弧焊接過程中的變形成因及對策
! k4 _  ]) k1 ~" u6 X/ z' m在工業(yè)生產(chǎn)中，焊接作業(yè)特別是手工電弧焊作業(yè)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(yùn)用。同時，由于手工電弧焊自身的焊接特點(diǎn)必然引起其焊接變形較大，如不對其變形的原因進(jìn)行分析并針對其成因提出有效的對策，必將給生產(chǎn)帶來極大的危害。
) Y6 c, Z' r0 U' s. p; B一、 手工電弧焊接過程中的變形成因
    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(zhì)中產(chǎn)生持久的放電現(xiàn)象所產(chǎn)生的。
3 t; f9 M. K! K+ c, N9 T8 D' w) L7 K/ U    電弧的產(chǎn)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(chǎn)生電流熱效應(yīng)的結(jié)果，使兩電極間的接觸點(diǎn)達(dá)到白熱狀態(tài)，然后將兩電極拉開，兩電極間的空氣間隙強(qiáng)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(chǎn)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(jié)果，在兩電極間產(chǎn)生了高熱，并且放射強(qiáng)光。
0 _( v; c6 l0 n+ `& \    電弧是由陰極區(qū)（位于陰極）、弧柱（其長度差不多等于電弧長度）和陽極區(qū)（位于陽極）三部分所組成。陰極區(qū)和陽極區(qū)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(qū)的溫度大約為2400K—3500K，而陽極區(qū)大約為2600K—4200K，中間弧柱部分的溫度最高，約為5000K—8000K。
    焊接接頭包括焊縫和熱影響區(qū)兩部分金屬。焊縫金屬是由熔池中的液態(tài)金屬迅速冷卻、凝固結(jié)晶而成，其中心點(diǎn)溫度可達(dá)2500℃以上。靠近焊縫的基本金屬在電弧的高溫作用下，內(nèi)部組織發(fā)生變化，這一區(qū)域稱為熱影響區(qū)。焊縫處的溫度很高，而稍稍向外則溫度迅速下降，熱影響區(qū)主要由不完全熔化區(qū)、過熱區(qū)、正火區(qū)、不完全正火區(qū)、再結(jié)晶區(qū)和藍(lán)脆區(qū)等段組成，熱影響區(qū)的寬度在8—30 mm范圍內(nèi)，其溫度從底到高大約在500 ℃--1500℃之間。
    金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部由于焊接時不均勻的加熱和冷卻產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力叫焊接應(yīng)力。由于焊接應(yīng)力造成的變形叫焊接變形。
$ Z2 ]7 Q+ ]1 L3 G4 h( Q    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(yuǎn)處大部分金屬不受熱，其溫度還是室內(nèi)溫度。這樣，不受熱的冷金屬部分便阻礙了焊縫及近縫區(qū)金屬的膨脹和收縮；因而，冷卻后，焊縫就產(chǎn)生了不同程度的收縮和內(nèi)應(yīng)力（縱向和橫向），就造成了焊接結(jié)構(gòu)的各種變形。金屬內(nèi)部發(fā)生晶粒組織的轉(zhuǎn)變所引起的體積變化也可能引起焊件的變形。這是產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的根本原因。
二、 焊件的殘余變形和應(yīng)力的危害性
    在焊接過程中焊件將發(fā)生變形，隨著變形的產(chǎn)生，焊件內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)也發(fā)生了變化，而焊完并冷卻后所留下的變形和應(yīng)力不是暫時的而是殘余的。通常焊件的殘余變形和應(yīng)力是同時存在的，但在一般焊接結(jié)構(gòu)中殘余變形的危害性比殘余應(yīng)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(gòu)件喪失穩(wěn)定而不能承受載荷，使產(chǎn)品質(zhì)量大大下降，而校正卻要消耗大量的精力和物力，有時導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。同時焊接裂縫的產(chǎn)生往往也和焊接殘余變形和應(yīng)力有著密切的關(guān)系。    有的金屬由于焊后產(chǎn)生了殘余應(yīng)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(chǎn)造成工藝上的大量困難。因此，在制造焊接結(jié)構(gòu)時，必須充分了解焊接時內(nèi)應(yīng)力發(fā)生的機(jī)理和焊后決定工件變形的基本規(guī)律，以控制和減少它的危害性。
1 `" v1 R+ V: d; h, e5 [5 c% j三、 影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素及變形的種類
% K: z5 z' W5 j- Q5 ~5 `（一）、影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素有：
' K6 G; v: D$ q+ }1. 焊縫在結(jié)構(gòu)中的位置；
: L; n  R, a, o" Q0 E$ F2. 結(jié)構(gòu)剛性的大小；
3. 裝配和焊接順序；
' D3 L+ c4 M% j% U/ b+ d4. 焊接規(guī)范的選擇。
1 F3 B+ y( c* z7 M  O% O2 P（二）、焊接變形的種類有：
1.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(fā)生了變形。
2.角變形；
2 D4 I7 O* ], |3.彎曲變形；
1 q" k, E9 Y$ N! F( W# e! z4.波浪變形；
# g9 N5 \4 j) X3 {+ o. J5. 扭曲變形。
（三）、從焊接工藝上分析，影響焊縫收縮量的因素有：
+ u+ U9 i2 ^" s! a" U" p5 {3 \    用手工電弧焊焊接長焊縫時，一般采用焊前沿焊縫進(jìn)行點(diǎn)固焊。這不僅有利于減小焊接變形，也有利于減小焊接內(nèi)應(yīng)力。
備料情況和裝配質(zhì)量對焊接變形也會產(chǎn)生影響。
焊接工藝中影響焊縫收縮量的因素有：
1. 線膨脹系數(shù)大的金屬材料，其變形比線膨脹系數(shù)小的金屬材料大；
2. 焊縫的縱向收縮量隨著焊縫長度的增加而增加；
; U& r! j( t* T' S+ i; E3. 角焊縫的橫向收縮比對接焊縫的橫向收縮�。�
4. 間斷焊縫比連續(xù)焊縫的收縮量��；
5. 多層焊時，第一層引起的收縮量最大，以后各層逐漸減��；
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%；
7. 焊腳等于平板厚度的丁字接頭，角變形量較大。
3 ?+ m; u0 v) C- r& W四、 防止焊接變形的方法
: s) Q7 `/ Z1 i+ H" b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(jìn)行改進(jìn)，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
, B7 {8 w0 r( K2 ~: Y! l% n    在焊前進(jìn)行裝配時，預(yù)置反方向的變形量為抵消（補(bǔ)償）焊接變形，這種方法叫做反變形法。
    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。
; Z$ Z' r$ H4 W7 Q7 J3 e, h& d/ C& p1 J2. 利用裝配和焊接順序來控制變形；
  u! b! X) ~' P2 ~    采用合理的裝配和焊接程序來減少變形，這在生產(chǎn)實(shí)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(chǎn)生下?lián)蠌澢�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(cè)，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(dāng)焊接另一側(cè)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。
4 G. x" o5 K, z" Z  n' A2 C    有許多結(jié)構(gòu)截面形狀對稱，焊縫布置也對稱，但焊后卻發(fā)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(fā)生變形。
焊接順序是影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素之一，安排焊接順序時應(yīng)注意下列原則：
" K- K/ H! R4 M# |1）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(jìn)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。
8 V' z, u/ P! |; Y- E! f# h2）對某些焊縫布置不對稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)先焊焊縫少的一側(cè)。
0 t+ Y8 D2 D% H" x6 \6 O0 C8 w5 g: H3）依據(jù)不同焊接順序的特點(diǎn)，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
1 W/ d4 m0 |+ l3 X  @    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(shè)擋弧板，多人同時焊接。其優(yōu)點(diǎn)是可以減小熱影響區(qū)，避免變形。每段長應(yīng)為0.5—1m。見圖2(f)
b.分中分段退焊法
, t; B4 `, q0 F3 s    這種方法適用于中板或較薄的鋼板的焊接，它的優(yōu)點(diǎn)是中間散熱快，縮小焊縫兩端的溫度差。焊縫熱影響區(qū)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)
c.跳焊法
) a# `0 {; M5 [- Q+ @6 y    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(guī)范處理；不銹鋼和銅由于導(dǎo)熱快，每段長不宜超過200mm (薄板應(yīng)短些)。見圖 2(h)  
% {5 S, S+ E4 gd.交替焊法
    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
' p6 C1 z  \+ x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)
3.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(diǎn)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(yīng)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(fù)雜，尺寸不大，又是成批生產(chǎn)的焊件，可設(shè)計(jì)一個能夠轉(zhuǎn)動的專用焊接胎具，既可以防止變形，又能提高生產(chǎn)率。  
5 o! O! L; F  K6 R& z當(dāng)工件較大，數(shù)量又不多時，可在容易發(fā)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。
$ v) ~5 f3 B6 k8 G7 i3. 散熱法
2 K- z# v5 |  v; B    散熱法又稱強(qiáng)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(dá)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(bǔ)。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
- D4 x7 t5 ]! g    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(yīng)力。因此對焊縫適當(dāng)鍛延，使其伸長來補(bǔ)償這個縮短，就能減小變形和應(yīng)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(diǎn)為止。
7 |7 `* X6 n) ^8 q3 ^, k% m五、 常見復(fù)雜構(gòu)件防止變形的方法
( W& a; T3 l% j! x5 k1. 鋼架的焊接
    鋼架焊接的關(guān)鍵問題，是如何保證強(qiáng)度和防止變形。從工藝上保證強(qiáng)度能適應(yīng)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。
3 w3 ^# J. P8 T# c" M) N7 n2）鋼架的焊接一般先焊腹桿與節(jié)點(diǎn)板之間的焊縫，然后再焊上、下弦與節(jié)點(diǎn)板之間的焊縫，焊接順序不應(yīng)集中，而應(yīng)在節(jié)點(diǎn)間間隔跳開焊接（見圖4(a)）。
5 ^. U) c# @3 w0 h. p3 j1 C# N3）節(jié)點(diǎn)板與桿件之間的橫向焊縫不焊（見圖4(b)），各種焊縫應(yīng)盡量采用船形焊。
2. 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(cè)，焊后產(chǎn)生較大的彎曲變形，見圖5 在圓筒上側(cè)有兩排共26個管接頭。
    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(jìn)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(fù)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(nèi)，達(dá)到質(zhì)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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