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焊接结构产生收缩变形的原因分析
湖南化工职业技术学院&&&& 吴兴欢&& 尹志红&& 胡炼钢
摘要：焊接结构在焊接过程中将不可避免的会产生焊接变形，焊接变形对结构的生产加工产生了一系列不利的影响，甚至造成结构的报废。焊接变形的类型较多，但不论是何种变形，它们形成的根源是由于焊缝的纵向和横向缩短造成的。本文论述了焊接结构产生纵向和横向收缩变形的主要原因及影响因素。
关键词：焊接 &&结构&& &纵向 &&&横向&&& 变形&&& &原因&&
&&& 机械制造工业是国民经济的基础工业，它决定着整个国家的工业生产能力和水平，而焊接技术则是机械制造工业中的关键技术之一。随着现代工业的高速发展，焊接结构的应用也几乎涉及到国民经济的各个领域，如石油与化工机械、超重运输设备、宇航运载工具、车辆与船舶制造、冶金、矿山、建筑结构及国防工业等。但结构在焊接时，往往会产生各种类型的焊接变形，如弯曲变形、角变形、扭曲变形、错边变形等，这些变形形成的根本原因是由于焊缝的收缩造成的。焊接变形会降低焊接结构的承载能力和使用寿命，而且在焊后要进行大量复杂的矫正工作，严重的甚至造成焊件报废。因此在生产过程中必须控制焊接结构的变形，才能提高产品质量和缩短生产周期，所以研究焊缝产生收缩变形的原因及影响因素具有重要的意义。
2& 焊接结构产生焊接变形的根本原因
焊接热过程是一个不均匀加热的过程，在焊接热源的作用下，液态金属周围的温度分布极不均匀，引起焊件各区域不均匀的体积膨胀和收缩，从而产生焊接变形。
3 &焊接结构产生收缩变形的原因及影响因素
由于焊接接头的形式、钢板的厚薄、焊缝的长短、焊件的形状、焊缝的位置等原因，会出现各种不同形式的变形，按基本变形的形式不同，焊接结构的变形种类有：
（1）收缩变形&&
焊件焊后其尺寸的缩短称为收缩变形。它分为纵向收缩变形和横向收缩变形。如图所示
图 &&纵向横向收缩变形
1）纵向收缩变形&&&
&&& 纵向收缩变形即沿焊缝轴线方向尺寸的缩短。这是由于焊缝及其附近区域在焊接高温的作用下产生纵向的压缩塑性变形，待焊件冷却后，这些纵向的压缩塑性变形导致焊件沿焊缝长度方向尺寸缩短，即产生了纵向收缩变形。
纵向收缩变形量的大小主要取决于焊缝的长度、焊件的截面积以及压缩塑性变形区的截面积大小、焊接结构的原始温度及构件的线膨胀系数等。焊件的截面积越大，焊缝的纵向收缩量越小。
焊缝的长度越长，纵向收缩量越大。从这个角度考虑，对结构无密封性要求或结构强度满足要求的情况下，可将连续焊缝改为间断焊缝，对减小焊缝的纵向收缩能起到一定的作用。
压缩塑性变形区的截面积大小主要取决于线能量。对于同样截面的焊缝可以一次焊成，也可以分几层焊接，但多层焊的每层所采用的线能量比单层焊的小得多，因此多层焊时每层所产生的塑性变形区的截面积比单层焊时小。所以，对截面相同的焊缝，采用多层焊引起的纵向收缩量比单层焊小，分的层数越多，每层的线能量越小，纵向收缩量就越小。
焊接结构的原始温度对焊件的纵向收缩也有影响。一般来说，焊件的原始温度越高，相当于线能量增大，焊接塑性变形区扩大，焊后纵向收缩量增大。但是，当原始温度太高，可能出现相反的情况，因为原始温度过高，焊件的温度梯度减小，温度趋于均匀化，压缩塑性应变下降，可使压缩塑性变形减小，从而使纵向收缩量减小。
构件的线膨胀系数对纵向收缩量也有一定的影响，线膨胀系数大的材料，焊后纵向收缩量也大。
2）横向收缩变形&&&
横向收缩变形系指沿垂直于焊缝轴线方向尺寸的缩短。对于不同的接头形式，横向收缩变形的主要影响因素不同。
①堆焊焊缝及角焊缝的横向收缩
平板上堆焊一条焊缝，在堆焊过程中沿焊缝长度方向不可能同时加热。沿焊缝长度方向各点的温度不一致，焊接热源附近的金属，其热膨胀变形不但受板厚方向较低温度金属的限制，而且受板宽方向以及板长方向较低温度金属的限制，使其承受压力，因而沿板宽方向上产生压缩塑性变形，使之在厚度方向上增厚，则产生横向收缩变形。
焊接线能量越大，横向收缩量越大；板厚增加，横向收缩量减小。另外，由于每条焊缝是逐步焊成的，先焊的焊缝冷却收缩对后焊的焊缝有一定的挤压作用，使后焊的焊缝横向收缩量更大，因而沿焊接方向上横向收缩量是逐渐增大的，但到一定长度后逐渐趋于稳定，不再增大。
2）对接焊缝的横向收缩
对接接头横向收缩变形量的大小与板厚、材质、拘束情况、焊接线能量、坡口形式和根部间隙等有关。
热导率和热膨胀系数较大的材料，横向收缩量也较大；随着外部施加的拘束力的增加，结构产生的横向收缩量将逐渐减小；当焊接时采用的线能量较大时，焊接区受热面积增大，产生的横向收缩量也较大；当工件坡口间隙增大时，焊缝填充金属量增加，横向收缩量也将随之增加；同一构件，开双Y形坡口比开单边V形坡口的横向收缩量小，因为单边V形坡口的焊缝截面积较大。
焊缝的收缩变形是焊件最基本的变形形式，所有焊件都不可避免地会产生收缩变形，而结构中一旦出现焊接变形将首先使结构的尺寸达不到要求，结构的零件或部件由于焊接而引起残余变形，直接降低装配质量；其次过大的残余变形还会增加结构的制造成本，降低焊接接头的性能。如焊件产生较大的变形，则必须进行矫正，比较复杂的变形其矫正工作量很大，从而使生率下降，结构制造成本增加；另外，矫正部位的性能下降，会消耗掉一部分材料的塑性。还有焊件的残余变形会降低结构的承载能力，如压力容器中过大的焊接角变形，会引起较大的附加应力，甚至可能导致脆断事故的发生。因此，实际生产中，必须严格控制焊接变形，使变形量控制在技术要求的范围之内。
8:33:47 | 露露
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法，按照一定结构组成的并能承受载荷的金属结构。
2应力集中：接头局部区域的最大应力比平均应力值高的现象。
3焊接残余应力：焊后依然残留在结构中的内应力。
4疲劳断裂：材料在循环应力、应变作用下，多次循环后引起的断裂。
5装配定位基准：装配过程中，作为依据来确定零部件在结构中位置的点、线、面。
6结构：不同类别或相同类别的不同层次，按程度多少的顺序进行有机排列。
7应力集中系数：表征应力集中程度的参数，为最大应力与平均应力之比。
8焊接变形：由焊接引起的焊件结构尺寸的改变，叫做焊接变形。
9矫正：采用一定措施消除零件的变形的过程。
10焊接装配：焊前将已加工好的零件（部件），按图纸规定的要求固定成组件、部件及结构
二、辨析以下说法
1.中国钢产量世界第一，其中40%用于焊接结构生产。（√）
2.网上出现的“蛋形”蜗居，其骨架主要为焊接结构。（√）
3.与铸造毛坯相比，焊接结构的质量更小。（√）
4.焊接结构对脆断、疲劳、应力腐蚀等破坏特别敏感。（√）
5.焊接残余应力与残余应变总是成对出现。（√）
6.焊缝与工件并联是工作接头。（×）
7.搭接接头的力学性能优于对接接头。（×）
8.金属材料的弯曲成型没有温度限制。（×）
9.残余拉应力有利于提高接头的疲劳强度。（×）
10.焊接结构拘束越大，残余应力越小。（×）
11.鸟巢是典型的焊接结构。（√）
12.世界上发达国家焊接结构生产占钢产量的60%以上。（√）
13.与铆接结构相比，焊接接头力学性能较高。（√）
14.焊接为局部熔化，故而结构组织性能不均匀。（√）
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16.焊缝与工件串联是联系接头。（×）
17.对接接头的应力集中大于T型接头。（×）
18.焊接结构制造中，弯曲成形占有的比重较小。（×）
19.疲劳断裂与脆性断裂的端口形貌一样。（×）
20.焊接结构拘束越大，焊接变形越大。（×）
1.焊接过程结束后，焊件残存而不能消失的应力称为(D)。
A、焊接应力B、工作应力C、内应力D、焊接残余应力
2.焊接结构应用最多的角焊缝形式为(D)。
A、凸角焊缝B、平角焊缝C、凹角焊缝D、直角等腰角焊缝
3.型材的矫正一般常采用(B)。
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建筑钢结构焊接变形的原因分析及其控制
中文科技期刊数据库（引文版）
建筑钢结构焊接变形的原因分析及其控制
中铁建工集团钢结构有限公司，江苏 南京 211500
摘要：建筑钢结构焊接过程中，钢结构焊接部位需要进行高温处理，这种局部受热的操作会使钢结构产生形变，这种现象在焊接过程中是不可避免的。对于施工中出现焊接变形的问题，应当将变形降低在最小的范围内，严格保证工程主体的质量。本文概述了建筑钢结构焊接，对影响建筑钢结构焊接变形的因素以及建筑钢结构焊接变形的原因进行了探讨分析，并提出了建筑钢结构焊接变形的控制措施，以供参考。
关键词：建筑钢结构；焊接变形；影响因素；控制措施 中图分类号：TU758.11
文献标识码：A
文章编号：（5-01
1 建筑钢结构焊接的概述
建筑钢结构工程通常是由柱子、梁、屋盖系统、钢杆支撑系统等组成。这些系统构件采用热轧钢板、角钢、槽钢、工字钢、圆钢、无缝（有缝）钢管、钢球，以及各种横截面冷弯薄壁型钢进行拼装焊接而成。建筑钢结构焊接特点是“三多一高”，即钢材品种规格多，节点构造形式多，焊接方法多，焊接质量要求高。
2 影响建筑钢结构焊接变形的因素
不同条件下的焊接建筑钢结构焊接过程中 所产生的焊接变形量各不相同，在诸多工艺因素中焊接线能量与焊接变形成正比，焊接线能量越大则焊接时产生的塑性变形区面积越大，焊后的焊接变形越大，反之则越小。决定焊接线能量的因素主要有：①焊缝尺寸的大小：焊缝尺寸越大则焊接所需线能量也越大；②焊接的分层方式：焊缝施焊时，分层焊的层数越多，每层所需的线能量越小，变形就越小。但对于开坡口的对接焊缝角变形来讲，则是例外，分层数越多，角变形越大，这主要是由焊件厚度方向的温差所决定的；③在满足受力要求的前提下，间断焊可降低线能量，从而减小焊接变形。焊接方法是影响焊接变形另一因素，实践及各国焊接专家的研究表明，对于相同焊件，相同焊缝，选择不同的焊接方法，其焊接变形也不同，埋弧焊的焊接变形最大，其次为手弧焊，最小的焊接变形为CO2气体保护焊。因此，在条件设备许可的情况下，选择合适的焊接方法，可有效降低焊接变形。
3 建筑钢结构焊接变形的原因分析
建筑钢结构焊接变形在外观表现形式上各有不同，可分为纵横向收缩变形、挠曲变形、角变形、波浪变形、错边变形和螺旋形变形。笔者认为焊接变形主要有以下原因：
3.1 焊件的不均匀受热
焊接是一种局部加热和冷却的过程，焊件焊接区的金属在热作用下的热自由膨胀受到周围未被加热金属的阻碍而发生压缩缩性变形，所以焊后冷却时，这一区域的金属必然有收缩变短的趋势。
3.2 焊缝金属的收缩
焊缝金属包括熔化的母材和填充金属，甚至包括焊缝两侧力学熔点以上的固态母材金属，它们均处于全塑性状态，只有自身的塑性变形，对周围金属并无推力和拉动作用，这部分金属在力学熔点以下是不能自由收缩的。
3.3 金属组织的变化
有些金属在固态下有相变过程。焊缝金属在周围冷金属的包围中，冷却速度极快。如高强钢焊接时，焊缝金属像被淬火一样，来不及相变，直到较低温度下，才从奥氏体转变为马氏体，比容明显增大，这不但可能抵消焊接时产生的部分压缩塑性变形，减小残余拉应力，甚至可能使焊缝区出现较大的压应力。
3.4 焊件的刚性和拘束
焊件的刚性和拘束与焊接应力、焊接变形有密切的关系。焊件的刚度和拘束越大，焊接变形就越小、焊接应力则越大；反之，焊件的刚度和拘束越小，焊接变形就越大，焊接应力则越小。
4 建筑钢结构焊接变形的控制措施 4.1 加强建筑钢结构焊接节点的设计
建筑钢结构焊接节点构造形式多，比较复杂。在建筑钢结构焊接节点构造设计时，应注意以下几点：①减少焊缝的数量、尺寸钢结构中焊缝数量越多、尺寸越大，焊接热源对
结构的热输入就越大，产生的焊接变形也就越大。因此在设计钢结构节点构造时，应力求减少焊缝数量和尺寸；②根据不同的焊接工艺方法，合理选用焊缝的坡口形状和尺寸。 设计建筑钢结构节点焊缝时，应在保证结构具有足够承载能力的条件下，采用适当的坡口形状和尺寸，以减少焊缝截面积及结构的焊接变形；③焊缝位置应对称于构件截面的中性轴焊缝位置尽可能对称于构件截面的中性轴，或尽量靠近中性轴，这对减少梁、柱等一类钢结构的挠曲变形有良好的效果；④采用刚性较小的节点形式，避免焊缝集中和双向、三向相交这样可减小焊缝交叉点处或焊缝集中处的热量及应力，从而减小焊接变形；⑤便于焊接操作，避免在仰焊位置施焊。在建筑钢结构加工制作时，应尽量避免将焊缝置于仰焊位置施焊，以利于操作和保证焊接质量。无法避免时，应要求焊工掌握全位置焊接的操作技能；⑥不同的建筑钢结构节点形式，对焊缝设置应有不同的要求。
4.2 控制建筑钢结构焊接变形的工艺
在建筑钢结构焊接施工过程中，根据不同的节点构造及焊缝形式，采取适当的焊接工艺措施，对于控制钢结构焊接变形也具有非常重要的作用。①反变形法。在焊接前进行装配时，预先制造或设置一个与焊接变形相反的变形，以便在焊接过程中，使焊接变形与预制的反变形相互抵消，达到焊接后没有变形的目的，它属于预防焊接变形的措施。②选择合理的装配焊接顺序。合理选择拼装顺序和焊接顺序，可降低焊接变形。选择合理的装配焊接顺序，使焊接变形消失于装配焊接的过程中，或使不同时期，不同位置产生的焊接变形相反、相消，达到调整、控制和消减焊接变形的目的。③选择适宜的焊接方法。多种焊接方法的热输入差别较大，在建筑钢结构焊接常用的几种焊接方法中，除电渣焊以外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝截面积相同情况下，收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。④热平衡法。对于某些焊缝不对称布置的建筑钢结构，焊后往往会产生弯曲变形。如果在结构上与焊缝对称的位置上采用气体火焰与焊缝同步加热，只要加热的工艺参数选择适当，就可以减少或防止结构弯曲变形。
4.3 焊接变形的矫正
在钢结构加工之前，首先考虑采取各种有效措施防止或减小焊接变形，但在实际施工中由于某些原因，焊后结构会发生了超过产品技术要求所允许的变形，这样就必须设法矫正变形，使之符合产品质量要求。
随着经济科技的不断进步发展，近年来建筑钢结构的应用越来越广泛。由于影响建筑钢结构焊接变形的因素较多，因此必须对其产生原因及其控制措施进行研究分析。
[1]姚猛.浅析建筑钢结构焊接变形的影响因素与控制措施[J].中国厨卫：建筑与电气，2015（8）.
[2]陈子勋.建筑钢结构焊接变形控制措施之初探[J].投资与合作：学术版，2011（8）：105.
[3]靳松梅.探究钢结构焊接变形的成因与控制措施[J].科技创新导报，2012（23）：88.
[4]安海江，罗富强，贾岭，等.大型钢结构焊接变形控制工艺分析[J].城市建设理论研究：电子版，2014（1）：54-55. [5]李玉鑫，赵丽娜.浅析钢结构焊接变形原因及控制措施[J].中国科技博览，2014（12）：321.
2015年42期
贡献者：shihuangzhe9
喜欢此文档的还喜欢船体钢板焊接发生变形，你知道如何控制矫正吗？
&船体钢板焊接发生变形，你知道如何控制矫正吗？
要： 船体钢板在焊接过程中容易变形，且变形具有复杂性，目前是国内外焊接领域的一项技术难题。焊接变形问题严重影响焊接质量，只有对其进行合理科学的分析，找到控制变形的方法，才能解决焊接变形的难题。本文主要讲述了船体钢板焊接中常见的焊接变形、焊接变形产生的主要原因及焊接变形控制的原则以及焊接变形矫正的办法，有效解决钢板变形的问题。
关键词： 船用钢板；焊接变形；控制矫正
引言：在船体建造过程中，焊接接头变形对其性能有着较大影响，使得船体构件的强度、韧性下降,最终影响到船舶的建造质量。由于船体结构的尺寸较大、形状较复杂，因而不易采取单项措施进行处理。因此须对焊接变形产生原因及影响因素进行分析，针对船体建造中各阶段的特点，采取不同的措施进行处理，以达到降低变形的目的。
1焊接变形分类
焊缝纵向收缩引起的结构尺寸的纵向缩短，称为纵向收缩变形。焊缝纵向收缩量一般随焊缝长度的增加而增加。是沿焊缝方向的收缩产生的，包括纵向收缩，纵向弯曲等；焊后产生的横向变形主要是横向缩短。钢板越厚横向收缩量也增加；板厚相同，坡口角度越大横向收缩量也越大。横向变形是与焊缝方向垂直的收缩产生的，包括横向收缩、和角变形等。波浪变形主要出现在薄板焊接结构中，主要是因为焊缝纵向缩短对钢板边缘的压力超过一定的数值时，板就会出现波浪形式的变形，另一种是由于角焊缝横向收缩不均匀引起的角变形造成的。构件焊接后产生的扭曲称为扭曲变形，它是由于装配质量不好、工件搁置不当及焊接方向不合理引起的。
2 影响船体焊接变形的因素
焊接材料的线膨胀系数，焊接方法，焊接工艺参数，焊接方向等都是影响焊接变形的原因。在保证焊透的情况下，尽量用线能量较小的焊接工艺参数。影响焊接变形的因素不是孤立作用的，而是各种因素综合作用的结果。
2.1焊接方法和工艺参数
尽可能让焊缝自由收缩最大限度减小应力对大型焊接结构，焊接应从中间向四周对称进行。先焊收缩量大的焊缝。对接焊缝收缩量比角焊缝大，所以同一结构中这两种焊缝并存时，尽量先焊对接缝。根据焊接结构具体情况，尽量采用较小的工艺参数，如采用小直径焊条和小电流；如果焊接电流较大，那么焊接速度也要加快，以减少焊件受热范围，达到减小焊接应力和变形的目的。
2.2 焊缝在结构中的位置
焊缝在结构中布置的不对称，是造成弯曲变形的主要因素。对于复杂的船体焊接构件中和轴上下有许多焊缝，距中和轴距离也不同，非常容易产生弯曲变形。所以应尽量使焊缝的分布对称舯剖面的中和轴，避免在容易产生变形的方向或应力集中的位置布置焊缝。焊缝距中和轴越远，焊接收缩力对中和轴的力矩越大，焊接的弯曲变形也越大。所以焊缝应布置在中和轴上或尽量靠近中和轴，以减少弯曲变形。
2.3 装配和焊接程序
金属结构的刚性大小是影响变形的因素，刚性大的结构焊后不易产生变形，刚性小的结构焊后容易产生变形。合理的装配焊接程序是减小焊接变形的首要条件。先装配成整体再进行焊接的顺序是合理的，有利于减小变形。装焊程序能引起构件刚性变化和重心改变，对控制变形有很大影响。因此就整个结构生长而言，这就有边装配边焊接和装配成整体后再焊接两种方式可选。对于简单结构来说，采用后一种方式，可减少弯曲变形。
3 控制船体焊接变形的原则与方法
焊接过程中的刚性条件和热变形是影响变形的主要因素。控制残余变形应从结构设计和施工工艺两个方面采取措施。
在船体结构设计方面，为了控制船体焊接变形，船厂在生产实践中总结出了许多措施，如对称布置焊缝，保证强度的前提下减小焊缝尺寸和长度，在装配焊接时使用简单胎夹具等。
在施工工艺方面，为了控制船体焊接变形应做到：1）在没有强制应力下进行船体装配；2）采用自动埋弧焊和气体保护焊工艺；3）合理选择焊接参数和装焊顺序。
焊接工艺是船体施工中的重要工艺之一。合理的焊接工艺是减少焊接变形，减少应力集中的有效方法。在焊接工艺上尽可能合理运用刚性固定法，反变形法。刚性固定法和反变形法是控制焊接变形的基本方法。刚性固定法是船厂施工中常采用的一种控制变形的方法，是将构件固定在具有足够刚性的平台上，待焊接构件上所有焊缝冷却到室温时再去掉刚性固定。船厂在生产过程中广泛使用各种形式刚性固定法，如钢板对接时加马板，薄板对接时加压铁等。
反变形法是根据结构焊后可能产生的变形，预先把焊件人为地制成一个大小相等，方向相反的变形，使焊件焊后变形很小，甚至消除。如放样时预放反变形量，反变形的大小由经验确定，在焊接生产中得到了广泛应用，只要反变形值恰当，就能得到较满意的形状。
4 焊接变形的控制矫正
船舶建造中，虽然在结构设计和施工工艺上采取措施可控制变形，因为焊接本身的特点，产生变形是不可避免的，对超要求的必须进行矫正。矫正工艺只限于矫正焊接构件的局部变形，对于船体结构的整体变形只能通过预放余量来补偿。矫正焊接变形的办法有两种，即机械矫正和火焰矫正法。机械矫正法是利用机械力的作用来矫正结构焊后变形一般用压力机或矫平机。机械矫正只能用于塑性良好的材料。
火焰矫正法是通过对变形构件伸长部分金属进行火焰集中加热。冷却后，焊接构件部分金属获得不可逆的塑性变形，使整个变形得到矫正。火焰矫正法对塑性差的材料要慎用。要适当控制火焰温度，温度过高材料机械性能降低，温度过低使矫正效率降低。冷却速度对矫正效果无影响，因此船厂多采用边加热边喷水的方法，以提高效率。
总之，船舶建造过程中，焊接变形控制技术是焊接领域的技术难题之一。焊接变形与材料、焊接工艺等因素有关，只能通过控制焊接变形，并对焊接变形进行矫正，来满足船舶强度和使用性能要求。
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