组合焊件焊接操作

组合焊件焊接操作

如图 3—107 所示的组合焊件需用焊条电弧焊完成焊接。它包含了平焊、立焊、横焊、仰焊及固定管焊、固定管板焊等操作，属于焊接技能的复合训练内容。焊接时，既要考虑焊件的焊缝表面质量，又要兼顾焊接应力及焊接变形对焊件结构尺寸和形状的影响。

一、焊接应力与变形

金属结构在焊接过程中产生的焊接应力和焊接变形，如果得不到合理的控制，就会使焊接产品质量下降，严重时还会出现裂纹，甚至产品报废。对于焊工来说，充分了解焊接时内应力产生的原因和形成焊件变形的基本规律，有助于控制或减小焊接应力和变形的危害。

1.焊接应力和变形的基本概念

金属材料在加工及使用过程中，在外力作用下，材料发生变形的同时，材料内部还会产生阻止变形的抗力，称为内力。单位面积上的内力称为应力。但是，应力并不都是外力引起的，金属材料在加热膨胀或冷却收缩过程中受到阻碍，也会在其内部出现应力。

焊接时焊件受到局部加热而产生不均匀的温度场，处于高温区域的材料膨胀量大，受到周围温度低、膨胀量较小的材料限制，于是焊件内出现内应力，使高温区的材料受到挤压，产生局部压应变。在冷却过程中。已经形成压应变的材料，由于不能自由收缩而受到拉伸因此焊件中又出现与焊接加热时方向大致相反的应力。

由焊接热过程引起的应力和变形就是焊接应力和焊接变形。焊后。当焊件温度隆至常温时，残存于焊件中的应力称为焊接残余应力，焊件上不能恢复的变形称为焊接残余变形。

2.钢受热时力学性能的变化

焊接是一个加热和冷却的执循环过程，受热区的最高温度可达 1500℃以上。温度变化很剧烈，金属的物理性能、力学性能也随之发生相应的变化。图3—108 所示为低碳钢在加热时主要力学性能的变化规律。

由图3—108 可知，随着温度（>300℃）的升高、低碳钢塑性明显提高，而它的强度却随着温度升高而下降。屈服点在受热初期基本上保持不变或稍稍下降。温度继续升高，达到600～650℃时，屈服点接近于零。

了解屈服点随温度的变化，对焊接应力和变形的研究很重要。为了便于讨论，对于低碳钢材料作如下假设∶在0～500℃时，屈服点不变面在500～600℃时，按直线规律减小到零;600℃以上时，就变为塑性材料，如图3--109 所示。

3.焊接应力与变形的产生原因

（1）金属杆件均匀加热后产生的应力与变形 为了便干了解焊接时应力与变形的产生原因，以下对金属杆件均匀加热后产生的应力与变形进行讨论。

图3—110 所示为金属杆件进行均匀加热后的变形过程。当温度由T₀升至T₁时，金属杆件便出现了热膨胀，如果在伸长过程中不受阻碍。杆长将增加ΔL_T，这段长度的改变称为自由变形，如图3—110a 所示。同样。却时又能自由收缩，金属杆件始终处在自由无约束的状态下，不会出现应力和变形

假如金属杆件在伸长过程中到阻碍。不能自由地变形，这时的长度变化量称为外观变形ΔL_e，如图3—110b 所示。杆件内部因受压而产生的变形，称为内部变形ΔL，内部变形在数值上等于自由变形和外观变形之，即ΔL=ΔL_T—ΔL_e，此时在金属杆件内将产生压应力。

如果压应力小于金属材料的屈服点，则当杆件温度从T₁恢复到T₀时。假设允许杆件自由收缩，则杆件将恢复到原来长度L₀，杆件中不存在应力。

如果杆件温度很高，产生的压应力大于材料的屈服点，则杆件产生塑性变形，在杆件温度恢复到 T₀的自由收缩结束后，将比原来缩短，产生了压缩塑性变形。

（2） 焊件在焊接过程中存在的焊接应力与变形 从上例出发进行下列分析。假设焊件是由许多金属小板条组成，它们互相结合，互相制约。当焊接时，焊件受到局部不均匀的加热和冷却，焊接接头各区域会出现不同程度的热胀和冷缩。温度高、伸长大的板条要受到相邻的温度低、伸长小的板条的压缩;相反，温度低、伸长小的板条要受到温度高、伸长大的板条的拉抻。钢板的变形情况如图3— 111 中实线所示。

如果焊件加热时产生的压应力小于材料的屈服点，则当温度恢复到原始温度 （焊后）时，焊件中不存在残余应力和残余变形。如果焊接加热时产生的压应力大于材料的屈服点，则钢板将产生压缩塑性变形。冷却后，钢板恢复到原始温度，将会产生残余应力和残余变形（图 3—111b）。此时，钢板中间（温度低的区域）产生压应力，两侧产生拉应力。

图 3—112 所示为钢板中间堆焊或对接时的应力和变形情况。同样可将钢板看成由许多小板条所组成。在焊接过程中，钢板受到不均匀的加热，其温度为中间高、两边低。小板条的理论伸长如图3—112a 中虚线所示，但小板条是互为一体、相互制约的，因此实际伸长如图中实线所示，即钢板被拉伸了ΔL长度，结果在钢板的两侧产生拉应力，中间产生压应力。

当压应力超过材料的屈服点时，就产生压缩塑性变形，即图 3—112a 中虚线所围绕的空白部分。

冷却时，由于钢板中间加热时所产生的压缩塑性变形不能恢复，因此从理论上来说，钢板中间缩短的长度应如图3—112b中虚线的形状。同样，由于钢板是一个整体，中间部分的收缩要受到两边的牵制，所以实际收缩变形如图中实线所示，即钢板总长缩短了△L。在钢板的两侧产生压应力，而钢板中间，因没有完全收缩，则产生了拉应力。

二、焊接残余应力

1. 按造成焊接残余应力的原因分类

（1）温度应力（热应力）由于焊接时构件受热不均匀而引起的应力。

（2）相变应力 焊接时局部金属发生相变，体积发生变化，而周围的金属阻碍其体积变化，在金属内部将产生应力。这种应力称为相变应力。

2.按焊接残余应力的作用方向分类

（1）纵向应力 方向平行于焊缝轴线的应力。

（2）横向应力 方向垂直于焊缝轴线的应力。

3.按焊接残余应力在空间的方向分类

（1）单向应力 在焊件中只沿1个方向存在的应力。例如，薄焊件对接焊缝存在的应力是单向应力。

（2）双向应力（平面应力） 指2个应力存在于焊件1个平面的不同方向上。例如，较厚板的对接焊缝成薄板上的交叉焊缝中存在着双向应力。

（3）三向应力（体积应力） 指沿空间3个方向存在的应力。例如，焊接大厚度焊件的对接焊缝或3个方向焊缝的交叉处都存在着三向应力。

严格地说，在焊件中的内应力总是三向的，但当1个或2个方向的应力数值很小时，，应力常常被假定为单向的或双向的。

三、焊接残余变形

1.焊接残余变形分类及产生原因

焊件在焊后除了产生一定的焊接残余应力外，还产生一定的残余变形。对于低碳钢来说，焊接残余变形比残余应力的危害性更大。

焊接残余变形可划分为纵向变形、横向变形、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等。焊接残余变形表现为3种基本尺寸的变化，即垂直于焊缝的横向收缩。平行于焊缝的纵向收缩，绕焊缝旋转的角变形，如图3-113所示。

根据焊接残余变形对结构形状的影响，可将焊接残余变形分为整体变形、局部变形。整体变形是整个焊件的尺寸或形状发生变化，通常以纵向变形、横向变形、弯曲变形和扭曲变形的形式出现，如图3-114所示。局部变形是因焊件的角变形和波浪变形引起的，如图3-115所示。

下面就焊接残余变形的几种基本变形形式来分析其产生的原因。

（1）纵向变形 构件焊后产生的纵向变形主要是纵向缩短。焊缝的纵向收缩量一般随焊缝的长度、熔敷金属截面积的增大而增大，随焊件截面积的增大而减少。

（2）横向变形  构件焊后的横向变形主要是横向缩短。焊接梁、柱、管道等长焊缝时，经常产生弯曲变形。其弯曲变形的大小以挠度/进行度量，如图3-116所示。

1）由纵向收缩造成的弯曲变形 当钢板边缘一侧施焊时，纵向收缩将产生弯曲变形，如图3—117a 所示。T形梁的焊缝只在构件的一侧，则焊后产生的弯曲变形，如图3—117b所示。由此可知，只要焊缝不在构件的中性轴上时，焊后很容易产生弯曲变形。

2）由横向收缩造成的弯曲变形 图3--118 所示为工字梁，在其下部焊有肋板，由于肋板角焊缝的横向收缩。使焊件产生向下弯曲。

（4）角变形 焊后构件两侧钢板离开原来位置题起一个角度的变形叫角变形。角变形的大小用变形角 α来度量、如图3—115a、b 所示。产生角变形的原因是∶ 焊缝的截面总是上宽下窄，因而在焊缝厚度上横向收缩变形不一致。焊接一面收缩大，另一面收缩小，结果就形成了构件的平面偏转，两侧便翘起一个角度。如图3—115a 所示。

（5）波浪变形 波浪变形一般在薄板焊接结构中产生，如图3—119 所示。产生原因有2 种∶一种是薄板结构焊接时的纵向、横向压应力的作用。使薄板失去稳定而造成波浪变形，如图3—119a 所示;另一种原因是由角焊缝的横向收缩引起的角变形造成的，如图3—115b 所示。图3—119b 所示为船体隔板结构焊后产生的波浪变形。

（6）扭曲变形 构件焊后两端绕中性轴相反方向扭转一个角度，称为扭曲变形，如图3—120 所示。它产生的原因很多、如构件的各部件尺寸和形状不正确时强行装配;焊接时构件没采用适当夹具;焊接顺序和方向不正确（如按图3—120b 中箭头所示顺序和方向而进行焊接。

2.影响焊接结构残余变形的因素

（1）焊缝在结构中的位置 焊缝在结构中布置不对称。则焊后要产生弯曲变形，弯曲的方向是朝向焊缝数目多的那一侧。

焊缝偏离焊件中性轴时，焊件在焊后将向焊缝所在的那一侧弯曲。而且焊缝距离中性轴越远，焊件就越容易产生弯曲变形。

（2）焊接结构的刚性 焊接结构刚性（即抵抗变形的能力）的大小也将影响焊件焊后的变形。刚性越大，结构就越不易变形。结构的刚性取决于其自身的截面形状及其尺寸大小。

（3）焊接结构的装配及焊接顺序一般来说，将焊接结构总装后再进行焊接，可以使结构的刚性增加，减少焊后变形。但是，对于一些大型复杂结构，有时可将结构适当地分成部件，分别装配、焊接，然后再拼焊成整体，使不对称的焊缝或收缩量较大的焊缝能比较自由地收缩，组焊时对整体结构的影响就较小，从而控制焊后变形。

有了合理的装配方法，还应该有合理的焊接顺序。即使焊缝布置对称的结构，如果焊接图 3—121 X形坡口对接接头的焊接顺序所示，对称的X形坡口对接接头采用不同的焊接顺序，会产生不同的效果。

（4）其他因素

1）材料的线膨胀系数 线膨胀系数大的金属，其焊后变形也大。常用的金属材料中铝、不锈钢、16Mn 钢、碳素钢的线膨胀系数依次减小，因此碳素钢焊件焊后变形就相对小。

2）焊接方法 与电弧焊相比，气焊的热源分散，受热范围大，加上焊接速度慢，使金属热膨胀加大，因此气焊焊件的焊后变形比电弧焊大。

3）焊接电流和焊接速度 一般焊后变形随着焊接电流的增大而增大，随焊接速度的加快而减小。

4）焊接方向 对于一条直焊缝来说，采用同一方向从头焊到尾（直通焊）的方法，会使整条焊缝在焊接过程中热量分布不均，焊件内产生的内应力也不同，其焊缝越长，焊后变形也就越大。如果直焊缝采用分段跳焊法，焊后变形就会小一些。

5）坡口形式 坡口角度及对口间隙过大，变形量增大。在焊件材质、厚度相同的情况下，V形坡口比U形坡口变形大;X形比双U形坡口变形大;I形坡口变形最小。

6）结构的自重  梁、柱类焊接结构焊接时，如果下部悬空或没有垫实，在受热状况下由于自身的重力会出现下拱弯曲变形。

影响焊接结构残余变形的因素很多，这要求焊接前应针对结构的实际情况。分析其与哪些影响因素有关，并且预测产生何种变形及其变形量，以便有的放矢地制定合理的防止或减小焊接残余变形的措施。

四、防止和减小焊接残余应力与残余变形的措施 

1.焊接结构的合理设计

合理的设计方案是控制焊接残余应力与残余变形的重要措施。在焊接结构的设计时要考虑∶

（1）在保证结构有足够强度的前提下，尽量减小焊缝的数量和尺寸。

（2）对称布置焊缝。

（3）必要时预先留出收缩余量。

（4）适当采用冲压结构，减少焊接结构。

（5）将焊缝布置在最大工作应力之外。

（6）留出装焊模夹具的位置等。

2.控制焊接残余变形的工艺措施

（1）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。图3—122 所示是工字梁的2 种装配、焊接顺序。图3—122a所示的工字梁的装配、焊接顺序是∶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。按照这种装焊顺序焊接丁字形结构时，由于焊缝分布在中性轴的下方，焊后将产生较大的上拱弯曲变形，即使另一块翼板焊后会产生反向弯曲变形，也难以抵消原来产生的变形（由于结构刚性增加的缘故），最后工字梁将形成上拱弯曲变形。图3—122b 所示的工字梁的装配、焊接顺序是∶先整体装配成工字梁，然后再进行焊接。这种顺序中，整体装配使得工字梁的刚性增加，再采用对称、分段的焊接顺序，焊后上拱弯曲变形就小得多。"先总装，后焊接"的工艺措施可以控制结构的焊后变形。

图3—123所示为内部有大、小隔板的封闭箱形梁结构。如果先总装箱形梁，其结构内的隔板无法焊接，所以它不能采用"先总装，后焊接"的装配、焊接顺序。因此，它必须先制成门形梁后，才能制成箱形梁。图3—124所示为门形梁的装配、焊接顺序。首先，将大、小隔板与上盖板装配好，并焊接焊缝1。因为焊缝1几乎与盖板截面重心重合，所以焊件无太大变形。然后，按图3-124所示装配、焊接箱形梁，不仅结构刚性加大，而且焊缝2、3对称，所以焊后整个封闭箱形梁的弯曲变形很小。

（2）采取合理的焊接顺序

1） 对称焊缝  如果焊接结构的焊缝是对称布置的，应该采用对称焊接。如图3—122b所示的工字梁，当采用1、2、3、4 的焊接顺序时，虽然结构的焊缝对称，焊后仍将产生较大的上拱弯曲变形。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敷量的增加而增大，同时所产生的变形也会增大。在结构刚性增大的情况下，即使后焊的焊缝以同样的熔敷量产生相反方向的变形，也不能完全抵消原先产生的变形。

因此，如果将图 3—122b 的工字梁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，将工字梁翻转180°，也采取分段、跳焊的对称焊将3、4 焊缝全部焊完。再将工字梁翻转，采取同样的焊法焊完1、2 焊缝。这样通过先后焊缝的熔敷差量来控制变形量，效果较好。

2）不对称焊缝 如果焊接结构的焊缝是不对称布置的，焊接顺序为∶先焊焊缝少的一侧，后焊焊缝多的一侧，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。图3—125 所示为压力机压型上模的结构、焊接变形及焊接顺序。如果先焊焊缝多的一侧，结构将出现总体下挠弯曲变形。如果按图3—125c所示，先焊焊缝1、1′（即焊缝少的一侧），焊后会出现如图3—125b 所示的上拱变形;接着，按图3—125d所示焊接焊缝2、2及焊缝3、3'（即焊缝多的一侧），则焊后它们的收缩足以抵消先前产生的上拱变形。如果按图3—125e 所示的焊接顺序（1 人操作）进行船形焊，焊后变形最小。

 3）采用不同的焊接顺序 如果结构中的长焊缝采用连续的直通焊，将会产生较大的变形。除了焊接方向因素外，在结构中焊接热量过于集中而分布不均匀也是产生焊接残余变形的一个重要原因。在实际焊接操作中，经常采用图3—126 所示的不同焊接顺序来控制变形其中，分段退焊法、分中分段退焊法、跳焊法和交替焊法常用于长度为1m以上的焊缝。退焊法和跳焊法的每段焊缝长度一般为100~350 mm。长度为0.5～1 m 的焊缝可用分中对称焊法。

（3）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，这种方法称为反变形法。在前面课题进行的Ⅴ形坡口对接焊操作中，均采用了反变形法来控制焊后的残余角变形。另外一种做法是∶2块焊件对接装配时，终焊端的根部间隙比始焊端大（图3—127），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。 

图3—128a所示为工字梁的翼板焊后产生的角变形。可在焊前预先将翼板制成反变形（图3—128b），然后按图3—128c所示的装配角度和焊接顺序进行焊接，以抵消焊后变形。这样便能在较大程度上防止焊后变形。

（4） 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，这种防止变形的方法称为刚性固定法。图3—129、图3—130、图3—131所示为不同焊接结构采取刚性固定法的实例。

（5）散热法  焊接时用强迫冷却的方法将焊接区的热量带走，使受热面积大幅度减小，从而达到减小变形的目的，这种方法称为散热法。图3—132a 所示为将焊件浸入水中进行焊接; 图3—132b 所示为喷水冷却焊接;图3——132c 所示为用水冷紫铜板散热焊接。应该注意，散热法不适用于淬硬倾向较高的材料，否则会在焊接时产生裂纹。

3. 控制焊接残余应力的工艺措施

（1）选择合理的焊接顺序

1）尽可能使焊缝自由收缩 尽可能让焊缝自由收缩，以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。

图3—133a 所示为1个大型容器的底部，由许多平板拼接而成。根据焊缝能自由收缩的原则，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。焊缝布局时，尽量使焊接热量在整个结构中分布均匀，焊接顺序如图3—133a 所示的数字。

图 3—133b 所示为带肋板的工字梁的焊接顺序。工字梁两边对称地逐格焊接，使构件能自由收缩，焊接残余应力便会大大减小。

2）先焊收缩量最大的焊缝  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，故焊接残余应力也就小。如果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  这主要是保证短焊缝在焊后有自由收缩的可能。图3—134 所示为交叉焊缝的焊接顺序

（2）选择合理的焊接工艺参数  焊接时应尽可能采用小直径焊条和较小的焊接电流，减小焊件受热范围，以减小焊接残余应力。

（3）采用预热的方法  预热法是指在焊前对焊件的全部（或局部）进行加热的工艺措施。一般预热的温度在 150~350℃ 其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。此法常用于淬硬倾向较大的材料。预热温度视材料、结构刚性等具体情况而定。

（4）加热"减应区"法 在焊接或焊补刚性很大的结构时，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。这个加热部位称为"减应区"。带轮轮辐、轮缘的断口焊补常用此法。图3—135 所示为几种简单结构采用加热"减应区"法的示意图。

（5）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，这样就能起到减小焊接残余应力的作用。进行敲击时，温度应当维持在 100~150℃或400℃以上。避免在200～300℃之间的蓝脆性（氮含量较高的低碳钢在200～250℃发生时效，钢的强度升高，塑性和韧性明显降低所引起的脆性。因为在200～250℃加热时，钢的表面形成氧化物，其色呈蓝色，所以这种脆性称为蓝脆性）阶段进行，以防止因敲击而产生裂纹。

多层焊时，是为了避免根部裂纹，第一层不敲击，盖面层也不敲击，以保持焊缝表面的美观。