焊接变形

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初级焊工直至经验更丰富的焊工都难免会遇到焊接变形的问题(因焊接电弧热量导致的母材弯曲或扭曲)。变形产生的原因有很多,但最重要的一条可能归因于焊缝结构的不合理。本文将尝试对焊接变形进行定义,然后阐述造成变形的原因和各种焊接装配的收缩效应,以及如何对其进行控制,并最终找到解决变形控制的方法。

 

什么是焊接变形?

焊接变形是焊缝金属和邻近母材在焊接过程中由于受热、冷却引起的膨胀和收缩而导致的。相比从工件一侧到另一侧进行对称交替焊接,始终在工件的一侧焊接将会导致更大更多的变形。在这个加热和冷却的循环过程中,许多因素会影响到金属收缩并导致发生变形,比如材料在不同温度下的物理和机械性能。举例来说,随着焊接区域温度的升高,钢板的屈服强度、弹性和导热性会降低,而热膨胀和比热将会增加(图3-1)。这些变化反过来又会影响热量流动和热量分布的均匀性。

 

变形的原因

若要了解金属加热和冷却过程中如何以及为何发生变形,可参考如图3-2所示的钢筋。如图3-2(a)所示,钢筋在均匀受热时会向四周膨胀。当冷却到室温时,又会均匀收缩到原来的尺寸。

如图3-2(a)所示,如果钢筋在不受限制的情况下均匀加热,钢筋将会向各个方向膨胀并在冷却时恢复到原来的尺寸。如果受到限制,则如(b)中所示,加热过程中只能在垂直方向上膨胀 - 因此变得更厚。冷却时,如(c)所示,变形的钢筋均匀收缩,并造成永久性变形。这是焊接装配变形基本原因的简单解释。

但是,如果钢筋在加热时受到限制,如图3-2(b)所示固定在台钳上,则不能发生侧向膨胀。由于加热过程中必然会发生体积膨胀,因此钢筋只能沿垂直方向(厚度)膨胀,变得更厚。当变形的钢筋恢复到室温时,仍然趋向于在各个方向上均匀收缩,如图3-2(c)所示。钢筋现在就会变得更短,更厚。此时其已经发生永久变形。(为了简单起见,草图仅显示厚度上发生的变形。但实际上长度也会同样受到影响。)

在焊接接头中,同样的膨胀和收缩力会作用在焊缝金属和母材上。随着焊缝金属凝固并与母材熔合,其将处于最大膨胀状态。当冷却时,其将试图收缩到在较低温度下的常规体积,但由于邻近母材的限制而无法做到。因此,焊缝与相邻母材的内部就会产生应力。此时,焊缝将会拉伸(或屈服)变薄,以适应较低温度时的体积要求。但只有超过焊缝金属屈服强度的应力才能够被这种应变所消除。当焊缝达到室温时(假定其受到母材的完全限制而无法移动),焊缝内将存在约等于金属屈服强度的残余应力。如果去除限制(夹持工件的夹具或反向收缩力),则部分残余应力被消除,并导致母材移动,让焊件发生变形。

 

收缩控制 - 最大限度地减少变形的方法

为了避免或最大限度减少焊接变形,必须在设计和焊接工艺中想方设法克服加热和冷却循环的影响。收缩无法避免,但可以进行控制。最大限度减少因收缩导致的变形包括以下几种方法:

1.避免过度焊接

焊接工作量越大,收缩力就越大。根据接头要求正确设计焊缝尺寸不仅可以最大限度地减少变形,还可节约焊接材料和时间。角焊缝中的焊缝金属可通过平坦或略凸的焊缝最大限度减少,对接接头的焊缝金属量则可通过适当的边缘加工和装配减少。焊缝余高中的多余金属不会增加工件的许可强度,但会增加收缩力。

焊接厚板(厚度超过1英寸)时,合理的坡口设计乃至双坡口可节约大量焊缝金属,并自动大幅度减少变形。

一般来说,如果不存在变形问题,则可选择最经济的接头。如果存在变形问题,可选用焊缝应力相互均衡的接头或需要焊缝金属量最少的接头。

2.采用断续焊接

最大限度减少焊缝金属的另一种方法是在必要情况下采用断续焊接而非连续焊接方式,如图3-7(c)所示。例如在将加强筋焊接到板材上时,断续焊接方式在获得必要强度的同时,可以让焊缝金属减少多达75%。

3.尽可能减少焊道数量

如图3-7(d)所示,当可能发生侧向变形时,以大规格焊丝进行少焊道焊接要优于以小规格焊丝进行多焊道焊接。每道焊接所产生的收缩会发生累积,因此采用多道焊接时就会增加总的收缩量。

4.让焊缝靠近中轴

通过以较小的杠杆作用让收缩力拉动板料偏离相对位置,最大限度减小变形。图3-7(e)对此做了说明。焊件和焊接顺序的设计均可有效用于控制变形。

可以通过抵消(或建设性地利用)加热和冷却循环作用的技术避免或最大限度减少图3-7中的变形。

5.平衡中轴周边的焊缝

如图3-7(f)所示,这种方法可以让一个收缩力与另一个收缩力相互抵消,从而有效减少焊件的变形。在此,组件设计和适当的焊接顺序也是关键因素。

6.采用分段退焊

在分段退焊技术中,焊接的总体过程可能是从左到右,但是每段焊道均为从右到左熔敷,如图3-7(g)所示。在进行每段焊道熔敷时,边缘受热膨胀后将板料在B点临时分开。但当热量跨过板料移动到C点时,沿外边缘CD的膨胀让板料重新恢复原状。这种分隔在最先熔敷的焊道上最为明显。对于连续焊道,由于先前的焊缝限制,板料膨胀越来越少。分段退焊可能并非对任何应用均有效果,且用于自动焊接不具备经济性。

7.估算收缩力

焊接前对零件进行预调整(乍一看时我还以为这是仰焊或立焊焊位,情况并非如此)可以让收缩获得建设性效果。图3-7(h)显示以此方式预调整的几个组件。通过收缩将板料拉正的预调整量可通过几次试验确定。

对待焊接件进行预弯或预调整时利用反向机械力抵消焊接所致变形的一个简单示例,如图3-7(i)所示。在预弯整板时,拉伸坡口的顶部(这个位置的焊接填充量最大)。因此,如果是在平板料上焊接,完成的焊缝要比其本应的长度略长一些。当焊接完成后夹具松开时,板料恢复平坦形状,让焊缝可通过缩短到直线释放纵向收缩应力。当着两种作用一致时,焊接板料就会呈现想要的平整度。

平衡收缩力的另一常见做法是将相同的焊件背靠背放置,并用夹具紧紧固定在一起,如图3-7(j)所示。在两个组件上完成焊接后,允许在松开夹具之前进行冷却。通过在夹持之前在待焊接零件之间适当位置插入楔块,可以让这种方法与预弯调整相结合。

对于重型焊件,构件刚度及其相对布置或可提供必要的平衡力。如果不存在这些天然的平衡力,则需要使用其他方法抵消焊接金属的收缩力。可以通过用一个收缩力平衡另一收缩力或通过夹具产生反向作用力的方式实现。反作用力可以为:其他收缩力;夹具、夹钳等产生的约束力;由组件构建布置产生的约束力;或者因构件重力下垂产生的力。

8.做好焊接顺序规划

对于精心规划的焊接顺序,焊缝金属需要放在组件的不同位置,这样当一个位置发生结构收缩时,就可以抵消已完成焊缝的收缩力。如图3-7(k)示例,示例是在中轴两侧交替焊接,从而在对接接头上获得完全熔透的坡口焊缝。另一个填角焊缝示例采用图3-7(l)所示的顺序进行断续焊接。在这些例子中,1号焊缝的收缩与2号焊缝的收缩实现相互平衡。

可以通过抵消(或建设性地利用)加热和冷却循环作用的技术避免或最大限度减少图3-7中的变形。

在小尺寸组件或零部件焊接中,最常见的控制变形方法可能就是利用夹具或夹钳将零部件固定在必要的位置,直到焊接完成为止。本节前面曾提到,夹具的约束力将会增加焊件的内部应力,直到达到焊接金属屈服点为止。对于低碳钢板的常规焊缝,该应力水平接近45,000 psi。人们可能会以为在将焊件从夹具或夹钳上取下之后,这种导致发生移动或变形的应力将会消除。但事实上这种情况不会发生,因为与在焊接过程中不加约束所产生的变形相比,这种应力所产生的应变(单位收缩)很小。

9.消除焊后收缩力

锤击法也是抵消焊道冷却收缩力的一种方法。锤击焊道实质上就是让焊道拉伸并变薄,由此(通过塑性变形)释放金属冷却收缩产生的应力。但这个方法必须小心使用。例如,千万不要锤击根部焊道,否则可能掩盖掉焊缝裂纹或导致开裂。一般而言,由于可能会因遮盖裂纹而干扰检验,且会产生不良的加工硬化效应,因此不允许对最终焊道进行锤击。因此,尽管在某些情况下在每道焊接之间进行锤击是解决变形或开裂问题的唯一方法,但该技术的作用仍然有限。在锤击作业之前,应获得工程许可。

热应力释放(让焊件在受控条件下升高温度,然后在受控条件下冷却)是消除收缩力的另一种方法。有时可以将两个相同焊件背对背夹紧再进行焊接,然后在保持平直状态下释放应力。由此将可能造成焊件变形的残余应力降到最低限度。

10.尽量缩短焊接时间

由于焊接过程中会发生复杂的加热和冷却循环,并且由于热传导需要时间,因此时间也是影响变形的因素。一般而言,最好是在大部分周边金属加热膨胀之前尽快完成焊接。所采用的焊接工艺、电极类型和规格、焊接电流和行走速度均会影响焊件的收缩和变形程度。机械化焊接设备可缩短焊接时间并减少受加热影响的金属量,从而减少了变形。例如,以175安培、25伏特和3 ipm的工艺条件在厚板上熔敷特定规格的焊缝时,每英寸直线焊缝需要87,500焦耳的能量(也称为热输入)。以310安培、35伏特和8 ipm工艺条件焊接相同规格的焊缝时,每直线英寸需要81400焦耳能量。以较高的线能量进行焊接通常会导致变形量更大。(注:我不想使用“过度”和“超过必要”这样的词汇,这是因为焊缝尺寸实际上与热输入有关。通常情况下,角焊缝尺寸(英寸)等于热输入量(kJ / in)除以500的平方根。因此这两个焊缝很可能并非相同规格。

 

其他变形控制方法

水冷式焊接夹具 

控制特定焊件变形的方法已有很多种。例如,在钣金焊接中,可以使用水冷夹具(图3-33)从焊件上带走热量。将铜管钎焊到铜夹具上,让水在焊接过程中通过管路进行循环。夹具约束也有助于减少变形。

图3-33,焊接板材时可快速带走热量的水冷夹具。

定位板

如图3-34(a)所示,“定位板”是板材对接焊接变形控制的又一好用技术。将夹具焊接到一块板料边缘,在夹具下方楔入楔块,迫使边缘在焊接过程中保持对齐。

图3-34对接焊接时控制变形的各种定位板配置。

消除热应力

除特殊情况外,不采用加热释放应力的方式矫正变形。然而,在某些情况下为了避免焊接完成之前发生更大的变形,需要通过加热进行应力释放。

 

总结:最大限度减少变形的检查清单

按照这个清单可最大限度减少焊件设计和制造中的变形:

  • 避免过度焊接
  • 控制接头装配
  • 在符合设计要求情况下尽可能采用断续焊接
  • 角焊接时使用设计允许的最小焊脚尺寸
  • 对于坡口焊缝,应使用尽量减少焊缝金属体积的接头。考虑采用双面接头而非单面接头
  • 可能的话,多道焊接时交替在接头两侧焊接
  • 尽可能减少焊道数量
  • 使用低热输入焊接程序。这通常意味着高熔敷率和高行走速度
  • 焊接尽可能使用焊接变位器使焊缝处于水平位置。平焊位置允许使用大直径焊丝和高熔敷率焊接程序
  • 熔覆率-焊接速度
  • 围绕构件中轴平衡焊缝
  • 通过规划焊接顺序和焊接位置尽可能均匀地分布焊接热量
  • 朝构件无约束部分的方向进行焊接
  • 使用夹具、固定装置和定位板确保接头装配固定和对齐
  • 利用预弯构件或预调整接头让收缩力将其拉回对齐
  • 对后续组件和最终组件进行顺序控制,让焊缝围绕断面中轴不断保持平衡
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