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焊接变形

来源:飒榕旅游知识分享网
焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程,但由于不均匀温度场,导致焊件不均匀的膨胀和收缩,从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。常见的焊接应力有:1)纵向应力;2)横向应力;3)厚度方向应力。常见的焊接变形有:1)纵向收缩变形;2)横向收缩变形;3)角变形;4)弯曲变形;5)扭曲变形;6)波浪变形。 焊接变形

1.1焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝面积越大,冷却时收缩引起的塑性变形量越大,焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的,而且是起主要的影响,因此,在板厚相同时,坡口尺寸越大,收缩变形越大。

1.2一般热输入大时,加热的高温区范围大,冷却速度慢,使接头塑性变形区增大。 1.3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,除电渣以外,埋弧焊热输入最大,在其他条件如焊缝断面积等相同情况下,收缩变形最大,手工电弧焊居中,CO2气体保护焊最小。

1.4在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方面等因素条件相同时,不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。1)表面堆焊时,焊缝金属的横向变形不但受到纵横向母材的约束,而且加热只限于工件表面一定深度而使焊缝的收缩同时受到板厚、深度、母材方面的约束,因此,变形相对较小。2)T形角接接头和搭接接头时,其焊缝横向收缩情况与堆焊相似,其横向收缩值与角焊缝面积成正比,与板厚成反比。3)对接接头在单道(层)焊的情况下,其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大,在单面焊时坡口角度大,板厚上、下收缩量差别大,因而角变形较大。双面焊时情况有所不同,随坡口角度和间隙减小,横向收缩减小,同时角变形也减小。 1.5 1)横向收缩:在对接接头多层焊接时,第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律,第一层以后相当于无间隙对接焊,接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似,因此,收缩变形相对较小。2)纵向收缩:多层焊接时,每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入小得多,加热范围窄,冷却快,产生的收缩变形小得多,而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束,因此,多层焊时的纵向收缩变形比单层焊时小得多,而且焊的层数越多,纵向变形越小。 控制变形的措施:

1)减小焊缝截面积,在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下,尽可能用小坡口尺寸。 2)对屈服强度345MPA以下,淬硬性不强的钢材采用较小的热输入,尽可能不预热或适当降低预热、层间温度;优先采用热输入较小的焊接方法,如CO2气体保护焊。

3)厚板焊接尽可能采用多层焊代替单层焊。

4)在满足设计要求情况下,纵向加强肋和横向加强肋的焊接可采用间断焊接法。 5)可双面焊时,用双面对称坡口,并在多层焊时采用与构件中和轴对称的焊接顺序。 6)T形接头板厚较大时采用开坡口角对接焊缝。 7)采用焊前反变形方法控制焊后的角变形。 8)采用刚性夹具固定法控制焊后变形。

9)采用构件预留长度法补偿焊缝纵向收缩变形,如H形纵向焊缝每米长可预留0.5mm~0.7mm。

10)对于长构件的扭曲,主要靠提高板材平整度和构件组装精度,使坡口角度和间隙准确,电弧的指向或对中准确,以使焊缝角度变形和翼板及腹板纵向变形值与构件长度方向一致。

11)在焊缝众多的构件组焊时或结构安装时,要采取合理的焊接顺序。

12)设计上要尽量减少焊缝的数量和尺寸,合理布置焊缝,除了要避免焊缝密集以外,还应使焊缝位置尽可能靠近构件的中和轴,并使焊缝的布置与构件中和轴相对称。 焊接应力的控制措施

构件焊接时产生瞬时内应力,焊接后产生残余应力,并同时产生残余变形,这是不可避免的。用一些卡具、支撑增加刚性控制变形的同时增大了焊后的残余应力。因此,对于一些构件截面厚大,焊接节点复杂,拘束度大,钢材强度级别高,使用条件恶劣的重要结构要注重焊接应力的控制。控制应力的目标是降低其峰值使其均匀分布,其控制措施有以下几种: 1)减小焊缝尺寸。

2)减小焊接拘束度:拘束度越大,焊接应力越大,首先应尽量使焊缝在较小拘束度下焊接,尽可能不用刚性固定的方法控制变形。

3)采取合理的焊接顺序:先焊收缩量较大的焊缝,后焊收缩量较小的焊缝;先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝,后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝。 4)降低焊件刚度,创造自由收缩的条件。

5)适当的锤击法减小焊接残余应力。根部焊道、坡口内及盖面层与母材坡口面相邻的两侧焊道不宜锤击,以免出现熔合线和近缝区的硬化或裂纹。高强度低合金钢,如屈服强度级别大于345MPa时,也不宜用锤击法消除焊接残余应力。 6)采用抛丸机除锈:通过钢丸均匀敲打来抵消构件的焊接应力。

1、用埋弧焊焊接δ=32的45号钢,可采用的焊丝是H08Mn2SiA或H10Mn2,焊剂可采用HJ360、HJ430、HJ431。

(1)焊接电流 焊接电流是埋弧焊最重要的规范,它直接决定焊丝熔化速度、熔深和母材熔化量。增大焊接电流可以加快焊丝熔化速度,提高焊接生产率。同时,电弧吹力随焊接电流而增大,熔池金属被电弧排开,使熔池底部未熔化母材受到电弧直接加热,熔深增加。电流过大时会造成烧穿钢板,电流过大还会使焊缝余高过高,热影响区增大和引起较大焊接变形。电流减小,熔深减小。电流过小时,容易产生未焊透,电弧稳定性不好。电流变化对熔宽变化影响不大。 表1 焊接规范及其影响

焊缝特点 :当以下规范增大时的影响

焊接电流 焊接电压(伏) 焊接速度(米/时) 焊丝直径 1500(安)以内 由22~24 到32~34 由34~36

到50~60 10~40 40~100

熔深 显著增大 略增大 略减小 无变化 减小 减小

熔宽 略增大 增大 显著增大 (除直流正接) 减小 减小 增大

余高 显著增大 减小 减小 略增大 略增大 减小

形状系数 显著减小 增大 显著增大 (除直流正接) 减小 略减小 增大

熔合比 显著减小 略增大 无变化 显著增大 增大 减小

焊缝特点 当以下规范增大时的影响

焊丝前倾 焊件倾斜 间歇和坡口 焊剂粒度 上坡焊 下坡焊

熔深 显著减小 略增大 减小 无变化 略减小

熔宽 增大 略减小 增大 无变化 略增大 余高 减小 增大 减小 减小 略减小

形状系数 显著增大 减小 增大 无变化 增大 熔合比 减小 略增大 减小 减小 略减小

(2)焊接电压:焊接电压是焊丝端头与熔化金属表面间的电压,即电弧两端的电压。由于这个电压难以测量,实际生产中是测量导电嘴与工件间的电压,可由机头上的电压表读出。当焊接电缆较长时,由于电流大,在电缆上有电压降,焊接电源上电压表的指示值,比机头上电压表的指示值要高1~2伏以上。调节焊接电压时,应根据机头上的电压表指示值进行。焊接电压对焊丝熔化速度影响不大,但对焊缝横截面和外表成形有很大影响。焊接电压增高时弧长增加,电弧的活动范围增大,熔宽增大,同时焊缝余高和熔深略为减小,焊缝变得平坦。电弧活动范围增大后,使焊剂熔化量增多,如果是含合金的烧结焊剂,向焊缝过渡的合金元素增多。当装配间隙略大时,增高电压有利于焊缝成形。焊接电压过高,对接焊时会形成“蘑菇形”焊缝,容易在焊缝内产生裂纹;角焊时会造成咬边和凹陷焊缝。如果焊接电压继续增高,电弧会突破熔渣的覆盖,使熔化金属失去保护而与空气接触,造成密集气孔。焊接电压降低时熔宽减小,焊缝变得高而窄。如果焊接电压过低,会造成母材熔化不足,焊缝成形不良和脱渣困难。焊接电压应与焊接电流相适应(见表2)。焊接厚板深坡口焊缝和进行高速埋弧焊时,为了减小磁偏吹,焊接电压应选得低一些,以增大电弧的“刚性”。

表2 焊接电流与相应的焊接电压

焊接电流(A) 焊接电压(V) 600~700 34~36 700~850 36~38 850~1000 38~40 1000~1200 40~42 (3)焊接速度:焊接速度对熔宽及熔深有明显的影响,在其他规范不变的条件下,焊接速度增大时,电弧对母材的加热减少,熔宽明显减小。与此同时,电弧向后方排斥熔池金属的作用加强,电弧直接加热熔池低部的母材,使熔深略为增加。当焊接速度提高到40米/时以上时,由于电弧对母材加热量显著减少,熔深随焊接速度增大而减小。焊接速度过高会造成咬边、未焊透、焊缝粗糙不平等缺陷。降低焊接速度,熔池体积增大而存在时间增长,有利于气体浮出熔池,减小形成气孔的倾向。但焊接速度过低会形成易裂的“蘑菇形”焊缝,或产生烧穿、夹渣、焊缝不规则等缺陷。

对于角焊缝,增大焊接速度可以提高生产率。对于开坡口的对接焊缝,焊接速度的

变化对生产率的影响不大。

(4)焊丝直径: 焊丝直径主要影响熔深。在同样的焊接电流下,不同直径的焊丝电流密度不同,直径较细的焊丝电流密度较大,电弧的吹力大熔深大。细焊丝时电流密度大,易于引弧。焊丝越粗,允许采用的电流越大,生产率越高。当装配不良时,粗焊丝比细焊丝的操作性能好,有利于控制焊缝成形,不易烧穿。焊丝直径应与所用的焊接电流大小相适应,如果粗焊丝用小电流焊接,会造成焊接电弧不稳定;相反,细焊丝用大电流焊接,容易形成“蘑菇形”焊缝,而且熔池不稳定,焊缝成形差。不同直径焊丝适用的焊接电流范围如表3 。

表3 不同直径焊丝适用的焊接电流

焊丝直径(mm) 焊接电流(A) 2 3 4 5 6 200~400 350~600 500~800 700~1000 800~1200 50~85 300 40~63 530 36~50 700 28~42 电流密度(A/mm) 63~125 临界电流(A) 280 (5)伸出长度:焊丝伸出长度是指焊丝伸出导电嘴部分的长度,就是导电嘴下端到熔池表面的距离。为了测量方便,一般将导电嘴下端到焊件表面的距离作为伸出长度。 伸出导电嘴外的焊丝存在一定电阻,埋弧焊的焊接电流很大,在这部分焊丝上产生的电阻热很大,焊丝受到的电阻热的预热,熔化速度增大,焊丝直径越细或伸出长度越长时,这种预热作用越大。所以,焊丝直径小于3mm时,要严格控制伸出长度;焊丝直径较粗时,伸出长度的影响较小,但也要控制在合适的范围内。伸出长度一般应为焊丝直径的6~10倍。对不锈钢焊丝等电阻较大的材料,伸出长度应小一些,以免焊丝过热。伸出长度太短,电弧容易返烧到导电嘴上,如果导电嘴是铜材制成的时,焊缝会熔入铜而产生裂纹,所以伸出长度不宜过短。 2、确定规范时应考虑的因素

选择埋弧焊规范的基本原则,是在保证焊缝成形良好,内在质量和接头性能满足要求的前提下,尽可能提高生产率。切不能单纯追求生产率而盲目选用粗焊丝和大焊接电流,必须考虑各种规范之间的配合和每种规范的合理范围。通常要注意以下三方面: (1)焊缝形状系数:每一道焊缝都有一定的熔宽(b)、熔深(t)和余高(h)如下图。它们决定了焊缝截面的基本形状:焊缝是深而窄,或是宽而浅等。为了反映各种不同熔宽和熔深时的焊缝横截面形状,常采用焊缝形状系数(ψ)表示: ψ=b/t

焊缝形状系数大的焊缝,其熔宽较熔深大,形状系数小的焊缝,熔宽相对熔深较小。焊缝形状系数过小的焊缝,焊缝深而窄,熔池凝固时,柱状结晶从两侧向中心生长,低熔点杂质不易从熔池中浮出,积聚在结晶交界面上形成薄弱的结合面,在收缩应力和外界拘束应力作用下,很可能在焊缝中心产生结晶裂纹。因此,选择埋弧焊规范时,要注意控制形状系数,一般以1.3~2左右为宜。影响形状系数的主要规范,是焊接电压和焊接电流。焊接电流大时熔深大,这时如不相应增高焊接电压,焊缝形状系数就可能太小。当然,对于一定的焊接电流,过分增高焊接电压也是不必要的,会使焊缝过宽或造成缺陷。埋弧焊时,与焊接电流相应的焊接电压范围见表5 。 表5 焊接电流与相应的焊接电压 焊接电流(A) 600~700 焊接电压(V) 34~36 700~850 36~38 850~1000 38~40 1000~1200 40~42 (2)母材熔合比:埋弧焊缝是由熔化的母材及填充金属组成的,熔化的母

材在焊缝中所占的比例称为母材熔合比(r)见上图。Am表示焊缝中母材的熔化面积;At表示焊缝中填充金属的面积。则母材熔合比用下式表示: r=Am/(Am+At)

通常母材中的含碳量和硫、磷杂质的含量比焊丝高,合金元素含量与焊丝也有差别。所以母材熔合比大的焊缝,由母材带入焊缝的碳量及杂质量较多;当母材合金元素与焊丝有较大差别时,母材对焊缝成分有较大影响。依据焊接规范的不同,埋弧焊缝的母材熔合比为30%~60%。单道焊缝或多层焊时第一层焊缝,母材熔合比较大,母材容合比对焊缝塑性和韧性有很大影响,对于某些材料,应防止在第一层焊缝中熔入过多的母材,而降低焊缝的抗裂性。埋弧堆焊时,为了减少堆焊层数和保证堆焊层成分,必须减少熔合比。生产中也有采用较大母材熔合比的情况,例如不开坡口埋弧对接焊时,母材熔合比较大,用合金元素含量较低的H08MnA或H08A焊丝,配焊剂431焊接16Mn钢,就可以保证焊缝得到合适的化学成分,保证足够的强度。影响焊缝熔深的不同规范,对母材熔合比也都有影响,减小母材熔合比的常用措施有:减小焊接电流;采用下坡焊或焊丝前倾布置;用正极性焊接;增大焊丝伸出长度;用带极代替丝极堆焊;不开坡口焊接改成开坡口焊接等。

(3)线能量:焊接接头的性能除与母材和焊缝的化学成分有关外,还受到焊接加热和冷却过程的影响。焊接时母材受电弧加热的程度,与焊接电弧的功率大小有直接关系,电弧功率是焊接电流和焊接电压的乘积,电弧功率越大,对母材的加热越强烈。但是,

母材的加热程度还与电弧移动速度(即焊接速度)有关,焊接速度增大,每段焊缝得到的电弧热量相应减少。可以用线能量综合表示这三个因素的影响。线能量是单位长度焊缝(即焊缝中的任一小段焊缝)得到的电弧热量,用下式可以算出: q=IU/V

式中 I — 焊接电流 (安); U — 焊接电压 (伏); V — 焊接速度 (厘米/秒) q — 线能量 (焦耳/厘米)。

例如,焊接电流700安,焊接电压36伏,焊接速度1厘米/秒(36米/时)时,线能量为25200叫焦耳/厘米。从线能量计算公式可以看出,线能量与焊接电流和焊接电压成正比,与焊接速度成反比。也就是说,焊接电流、焊接电压越高,线能量越大;焊接速度增大时,线能量减小。由于埋弧焊焊接电流和焊接速度能在较大范围中调节,线能量的变化范围比焊条电弧焊大得多。线能量增大时,热影响区增大,过热区明显增宽,晶粒变粗,造成焊接接头的塑性和韧性下降。对于低合金钢,这种影响尤其显著。如果用大线能量焊接不锈钢,会使近缝区在“敏化区”范围停留时间增长,影响焊接接头抗晶间腐蚀的性能。焊接低温钢时,大线能量会造成焊接接头的低温冲击韧性明显降低。所以,埋弧焊时,必须根据母材的性能特点和对焊接接头的要求,选择合适的线能量。

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