控制厚板焊接变形的方法与技巧

2023-07-01 理论教育版权反馈

【摘要】：厚板焊接问题主要为焊接变形难以控制和校正、焊接残余应力难以消除、焊接热循环难以控制、容易产生焊接热裂纹及层状撕裂等。因此，在实际生产中常需要有效地减少焊接残余应力与焊接变形，或者按照具体焊件的相关要求对其加以控制。

厚板焊接问题主要为焊接变形难以控制和校正、焊接残余应力难以消除、焊接热循环难以控制、容易产生焊接热裂纹及层状撕裂等。因此，进行厚板焊接工艺的研究十分重要。大沽桥拱和纵梁均为厚板结构，板厚为32～60 mm，材质为Q370qD钢，大、小拱典型截面如图2-38 所示。

对于实际的焊接结构，由于结构形式的多样性，焊缝数量与分布、焊接顺序和方向的不同，导致产生的焊接变形比较复杂。为了便于理解和掌握焊接变形的特点和规律，将复杂的焊接变形（图2-39）分解成几种基本形式，如与焊缝线垂直的横向收缩、与焊缝线平行的纵向收缩及角变形、绕焊缝线回转变形等。焊件的变形往往是上述几种基本变形形式的组合。

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图2-38　大、小拱典型截面图

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图2-39　焊接变形

通常，将收缩变形、弯曲变形归为整体变形，将角变形、压曲变形归为局部变形。

2.4.3.1　焊接变形的影响因素

1）焊接方法

由于焊接变形是由不均匀加热引起的，因此变形大小与加热情况有紧密联系。不同的焊接方法、热源或加热集中程度，均会造成不同的焊接变形。对于常用的焊接方法，按产生焊接变形由大到小的顺序，依次为气焊、手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和接触焊。因此，对于大沽桥低合金钢厚板的焊接，尽可能采用CO2气体保护焊施焊。

2）焊接规范

表2-8 列出根部间隙、接头设计、焊条类型和尺寸等各种工艺参数对对接焊缝横向收缩的影响。

表2-8　工艺参数对对接焊缝横向收缩的影响

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（续表）

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不仅焊缝的横向收缩，几乎每种焊接变形都与焊接能量有关，因此在设计和工艺允许的条件下，应尽可能减少线能量，进而减少焊缝截面尺寸，这对减少焊接变形和应力均有利。例如：在线能量一定的情况下，采用大电流快速焊比小电流慢速焊的加热集中程度高，主作用区窄，产生的收缩变形和弯曲变形都会减少。

此外，可适当地采用单层焊接或分层焊接、分段焊、反向分段焊、从中心往两端焊等方法达到减小焊接变形的目的。

3）焊接程序

焊接程序不仅影响构件变形的性质，而且影响构件的应力状态。合理地选择焊接程序，避免结构产生不容许的变形值和应力。在很多情况下，既要避免变形又要避免应力是不可能的，因此需要在鉴定两者对于结构作用的基础上合理地选择焊接程序。在个别情况下，焊接程序可以考虑采用防止和减少焊接变形和应力的方法，如采用反弯曲、锤击等方法。

4）焊缝长度

焊缝长度严重影响焊接弯曲变形和收缩变形，断续焊代替连续焊可以大大减少焊接变形。但需要注意，断续焊缝起弧、收弧点多，影响焊缝质量，增加锈蚀，特别是造成更多的应力集中源，大大降低焊接结构的疲劳强度和抗脆断能力，因此对于承受动荷载及低温工作的结构，不宜采用断续焊缝，可考虑采用小截面连续焊缝。

2.4.3.2　焊接变形研究

1）焊缝的横向和纵向收缩

焊接时，沿焊缝横向和纵向的温度分布不均匀，焊件不能自由膨胀和收缩，引起构件的纵向及横向收缩，使构件长度缩短、宽度变窄，如果在焊接结构生产备料过程中没有考虑这种收缩变形，则焊接后结构尺寸会变小，严重时甚至造成结构尺寸的缩小量远超过公差允许范围而报废。在零部件焊接时，为了在焊后割去多余的余量，就要增加工序、劳动量，浪费材料。在成批生产的情况下，一般是结合工厂的具体条件，在试制过程中对结构的焊后收缩进行实际测量，找出规律，然后确定余量数值，表2-9、表2-10 列出焊件在自由状态下，手工焊时各种焊缝收缩数值的近似值，可供估计收缩余量时参考。

表2-9　焊缝横向收缩量近似值　（mm）

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（mm）（续表）

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表2-10　焊缝纵向收缩率近似值　（mm/m）

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注：表中所列数据是在宽度大约为15 倍板厚的焊缝区域中的纵向收缩量。

角焊缝的横向收缩小于对接焊缝，断续焊缝的收缩量小于连续焊缝。

多层焊时，第一层引起的收缩量最大，第二层增加的收缩量大约为第一层收缩量的20%，第三层增加5%～10%，最后一层增加更少。

2）纵向弯曲变形

对于T 形构件和工字梁，应特别注意焊缝的纵向弯曲变形。对于T 形构件，随着焊接的进行，焊接变形逐渐加大。对于工字梁，在下侧焊接时，焊接变形增加，在上侧焊接时，焊接变形减少。第二个角焊缝产生的变形一般小于第一个角焊缝产生的变形，并造成一定的残余变形，即使在角焊缝两侧的熔敷金属重量相等、接头几何尺寸对称时也是如此。

2.4.3.3　减少和防止焊接变形的方法

有残余应力的焊件在后续加工、储运及使用（承载）过程中还可能会发生变形。其中，焊件在切削加工过程中的回弹变形会对其加工质量产生严重影响。焊接变形还会降低焊件的疲劳强度与承载能力，可能导致焊件加工时超过规定的制造公差。因此，在实际生产中常需要有效地减少焊接残余应力与焊接变形，或者按照具体焊件的相关要求对其加以控制。

总体来说，降低焊接残余应力可从以下几个方面着手：降低残余应力水平，特别是降低最大残余拉应力水平；缩小高残余应力的存在区间和范围；减少残余拉应力的维数。

1）设计措施

焊接结构设计措施实际上是负责结构设计工作的技术人员应遵循的设计规范与原则，既包括确定结构的外形、尺寸及确定结构中的各个焊接接头，还包括选择接头形式（如对接接头、搭接接头、十字接头、T 形接头、角接接头和端接接头等）及规定焊缝高度。其他有关设计方面的措施，特别是坡口形状与焊接顺序的确定，以及连续焊缝与断续焊缝的选择等则归于工艺措施。

用于限制焊接残余应力与焊接变形的主要设计措施有：使焊缝长度尽可能最短、板厚尽可能最小、焊脚尽可能最小，与连续焊缝相比优先选用断续焊缝、与对接焊缝相比优先选用角焊缝、采用对接焊缝连接的构件应在垂直于焊缝方向上具有可变形长度、复杂结构最好采用分部件组合焊接。

设计中应尽量避免焊缝密集与交叉，焊缝间相互平行且密集时，相同方向上的焊接残余应力区和塑性变形区均会出现一定程度的叠加；焊缝交叉时，两个方向上均会产生较高的残余应力。这两种情况下，作用于结构上的双倍温度形变循环均可能会在局部区域（如缺口和缺陷处）进入材料塑性状态。针对这种情况，可将横焊缝在纵焊缝间作交错布置，此外还可以用切口来避免焊缝间的交汇。对于需要考虑疲劳强度的结构，这类切口应有条件的采用。

设计中应尽量采用薄板，目的在于限制三维拉应力的水平与大小。当板厚较大时，第三主应力可能在板厚方向上占有较大比例，因而，设计中对超过一定板厚的焊接构件通常要安排消除应力退火。

对于对接焊缝，焊缝厚度应与板厚相同。对于角焊缝的焊角高度，相对来说较为自由，但也不应超过其所需的静载尺寸，因为焊接热输入以及由此产生的收缩力与变形均会随着焊角高度的增大而增大。

对于联系焊缝（按构件设计要求不直接承载的焊缝）可采取断续焊缝的形式，以降低热输入总量。双面断续角焊缝的焊段可交错布置，在可能出现腐蚀的地方用切口使焊缝闭合。联系焊缝还可采用另一种变形较小的形式——塞焊。

对于减少残余应力和变形，十字接头、丁字接头、角接接头和搭接接头中角焊缝优于对接焊缝（在疲劳强度方面则相反）。采用角焊缝时，间隙与力线的偏移会降低接头的刚性，从而使结构中的横向残余应力有所降低。

对于桥梁等大型复杂结构，可将其划分为若干组件或部件分别预制，达到规定的尺寸精度后再进行组装，这一措施不仅能非常有效地减少整体结构的焊接残余应力与焊接变形，而且组件或部件的尺寸精度保证整体结构的尺寸精度。此外，组件或部件可在工厂内预制，仅整体结构需要在现场组焊。对于桥梁结构，应尽可能避免现场施焊，各组件间的现场连接接头可采用高强度螺栓连接。

2）选材措施

焊接材料在很大程度上应根据焊接工艺的要求进行选择。选用的材料应在相应的设计和制造条件下适于焊接，且焊接形成的接头在承受工作荷载时应能避免开裂，可抵抗破坏以及具有足够的变形能力。

3）制造工艺措施

对于厚板焊接，焊接变形一旦发生将很难矫正，厚板的焊接变形应根据各种影响因素综合分析，制订合理的焊接工艺、焊接顺序以及工装等控制焊接变形。

大沽桥在生产制造过程中，主要采用CO2气体保护焊，并通过采取反变形工装、一条焊缝多台焊机同时施焊等技术措施来控制焊接变形和残余应力，取得很好的效果。

控制厚板焊接变形的方法与技巧

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