造船中的焊接变形和反变形控制
1.研究背景
船舶工业是传统的劳动密集型装配制造业，焊接操作是其中主要的作业形式之一，焊接水平的高低在很大程度上决定了船体的质量和生产效率,而焊接变形又是焊接过程中最难控制的一环。焊接变形的存在不仅造成了焊接结构形状变异,尺寸精度下降和承载能力降低,而且在工作荷载作用下引起的附加弯矩和应力集中现象是船舶结构早期失效的主要原因,也是造成船舶结构疲劳强度降低的原因之一[1]。焊接变形对现代造船技术的应用产生了障碍。由于焊接变形对船舶建造质量、成本和周期都具有重要影响，工业界一直对其非常重视，对焊接变形从实验和理论上进行了大量研究，希望能够对焊接过程进行有效预测和控制。反变形可以控制焊接变形，降低残余应力，且方法简单易行，在船舶行业有广泛的应用。
2.背景内容
针对造船中的焊接变形，国内外专家进行大量的研究。焊接过程是一个非平衡的、时变的、带有随机因素影响的物理化学过程，它涉及电弧物理、传质传热和力学等方面。至今对焊接过程变形的实时检测与监控仍是困难的，不仅需要特殊的方法，而且对设备的要求也很高。随着计算机软、硬件技术的快速发展，使得焊接热加工过程的数值模拟应运而生，实践证明数值模拟对于研究焊接现象是一种非常有用的方法。
2.1国外专家的预测和研究
20世纪30年代以来，许多苏联学者就开始了焊接变形计算与控制研究。如C.A.库兹米诺夫[2]研究了典型船体结构总变形和局部变形的计算方法，提出了减少和补偿焊接变形以及矫正主船体结构的解决方案。Greene和Holzbaur[3]开展了降低焊接残余应力和变形的研究，目前降低残余应力和焊接变形技术大多数由他们制定的法则演变而来。法国的国际焊接研究所对“焊接结构中残余
应力和变形预测RSDP”开展了大量研究。RSDP的总体目标是制定预测和确定焊接残余应力和变形的规则。英国的BAE集团水面舰船公司与科研院所[4-6]开展了长期的项目研究，目标是建立大型焊接结构的薄板在制造过程中的焊接变形模型和板材弯曲变形相关的制造工艺模型。由于薄板在水面舰艇和潜艇中都具有广泛的应用，其研究成果大幅度地提高了舰船的质量。日本学者在20世纪50年代就开始了焊接变形研究[7-8]。70年代，Ueda等提出了固有应力和固有应变的概念[9]，通过实验方法和弹塑性分析法来求得固有应变的分布，并通过弹性有限元方法计算复杂结构的焊接变形。在实际造船方面，2000年以来，日本船厂依靠极高的内场加工精度及先进的焊接工艺，实现了船台/船坞无余量合拢，且精度控制的成功率高达80%-95%。然而焊接变形的预测和控制主要还是依靠船厂自己积累的测量数据和实验经验确定。美国海军开展了ManTech项目的研究，研制了一种机械焊接流程，取代手工电弧焊，使焊接变形大幅减少。美国船体结构焊接变形的控制主要从优化焊接工艺、焊接方法、提高焊接自动化等方式来实现、焊接变形的预测主要依靠经验和实验。德国汉堡技术大学的Fricke教授等开展了焊接变形的实验和仿真研究，针对某型潜艇的HY-80球形壳体的多道焊工艺过程进行焊接变形仿真。
2.2国内专家的预测和研究
上海交大的陈楚在吸收苏联学者研究成果的基础上，开展船体焊接变形研究。上海交大的李婧研究了固有应变预测法和3D板单元热弹塑性有限元法，其中固有应变预测法是一种相对快速且有效的预测大型复杂结构焊接变形的方法,同时能够获得有一定准确度的焊接残余应力和变形值,为反变形量(补偿量)的计算提供了有力工具,即将预测所得的有关数据供焊接工艺设计时选择参照,并确定实际生产时的预留变形量,以确保船舶结构的焊接精度和质量,其具有很大的实用价值和发展前景。固有应变预测法是建立在固有应变数据库的基础上的（数据库是准确预测焊接变形的前提）。3D板单元热弹塑性有限元法能在较短的时间内获得较高精度的结果,为预测大型复杂结构的焊接变形提供了一种新的思路和方法。[10]华中科技大学的陈传尧教授开展了薄板结构焊接变形的预测与控制研究。哈工程的宋竞正[11]等应用固有应变预测了船体分段的焊接变形。清华大学的鹿安理[12]提出了移动热源方式、自适应有限元网络划分法
及相似理论解决大型实际结构的焊接变形与应力的数值求解问题。江南造船厂的孙光二[13]开展了5艘同型长江船舶的船体焊接变形测量，着重介绍了双层底分段装焊和船台合拢过程的焊接变形测量、变形原因分析，采取了控制焊接变形的胎架反变形等工艺措施，建造质量显著提高，如第5船与第1艘相比，首部上翘值为11%，尾部上翘值为23%。
3.关键问题
船体焊接变形预测研究方法有实验法、热弹塑性有限元分析方法、固有应变法。船体结构焊接变形控制研究方法有焊接方法、控制焊接参数、控制焊接工艺方案、反变形法、控制温度场、矫正焊接结构、零件加工精度、系统综合分析。焊接变形是结构件焊接过程中普遍存在的问题,焊接过程中通过利用反变形方法来达到减小焊接变形的目的,从而解决了材料利用率低、加工余量大、生产效率低等问题，且方法简单易行，在船舶行业有广泛的应用。反变形法是根据实验或理论计算预测焊接变形的大小和方向，在焊接前对船体构件或胎架施加与焊接变形相反的预变形，以此抵消焊接变形。反变形存在的最大问题是焊接变形预测比较困难。由于该方法花费的额外成本很低，且控制焊接变形的效果可以非常好，随着焊接变形预测水平的提高将具有良好的发展前景。
4.技术路线
为了预测残余应力和残余变形，专家采用了热弹塑性法和残余塑变法。热弹塑性有限元法跟踪整个焊接过程，以给定的时间步长，计算出每一时刻的焊接温度场，以及每个时间段由于温度变化引起的应力应变增量，逐步累计叠加，最终得到残余应力与应变。热弹塑性有限元法缺点是计算量太大和计算时间太长，因而对于一些大型焊接结构还难以完全实现。针对该问题，自适应网络技术备提出并已在Marc软件上得到了实现。计算时焊枪前沿和熔池局部的网络始终保持密网格，而焊后逐渐冷却的焊缝恢复呈稀疏网格。这大幅度地减少了计算时间，提高了计算效率，有利于大型结构焊接件焊接过程模拟。清华大学用自适应网络技术对平板焊缝进行有限元计算，得到的温度和位移分布与不使用该技术的通常三维移动热源计算得到的结果吻合的很好，残余应力分布趋势
也相同，不过所得残余应力值存在不协调性[14]。该方法在大型结构件焊接变形中的进一步推广应用还需讨论。
国内外残余塑变有限元法的研究主要分为两方面，其一是关于焊接变形机理和方法的研究，包括建立焊接残余塑变参数的关系数据库；其二是利用残余塑变有限元对大型结构进行焊接变形计算以及对一些结构的焊接残余应力进行逆运算。目前残余塑变有限元法在大型船体等焊接变形的预测中取得显著的成功[15]。如Murakawa等对窄间隙残余塑变和焊缝间隙的作用进行研究，提出特大型结构焊接变形简化计算法-一单元残余塑变有限元法基本理论。该方法通过较少的单元来描述如船体等特大结构的焊接变形，将残余塑变施加在壳单元上，在位移的的描述上引入面外位移W*(W a+W b)以及刚性维修正系数fn（W b 线性系数），f1（W b一次微分系数），f2（W b二次微分系数）和f3（W a+ W b 二次微分系数）。现有的残余塑变理论仅限于简单板梁结构，对于焊缝分布较远的刚性大的结构件，可将用简单公式计算的塑变值通过有限元方法作用于复杂结构件上，但除此之外的情况，考虑焊接顺序、焊缝间的作用对预测精度的影响是很必要的。一般焊接变形可通过焊前反变形、合理的焊接工艺、焊接规范、焊后机械矫正、火焰矫正等方法加以控制。而选择控制焊接变形的方法应因地制宜，因时而易。有效控制焊接变形的方法可以起到事半功倍的效果，从而最大程度节约人力、物力，确保焊接质量，缩短船体结构制作工期。
大连理工大学船舶学院的刘玉君和李艳君利用热弹塑性有限元法来模拟结构的焊接过程，对不同板厚、不同热源的结构分别进行数值模拟，最终确定焊接结构的弹性反变形规律：焊接前施加弹性反变形的结构在焊接后角变形趋于零。杨志，周燕分析了焊接反变形在模块施工过程中的运用，通过综合考虑母材尺寸、性能等现场施工条件，分析焊接收缩应力对变形的影响，跟踪焊接过程中角变形角度变化，制定合理的焊接工艺及调整措施，取得了较好成果，对其它模块施工的焊接具有一定的借鉴与指导作用[16]。
我打算采用焊接变形的数值模拟（该方法是以试验为基础，采用一组控制方程来描述一个焊接过程中的温度场、应力应变场及随后形成的残余应力等方面，采用分析或数值方法求解以获得该过程的定量认识）来得出该焊接过程的变形情况。通过对复杂或不可观察的现象进行定量分析和对极端情况下尚不知的规则的推断和预测，实现对复杂焊接现象的模拟，以助于认清焊接现象本质,
弄清焊接过程规律，以此来预测焊接变形的大小和方向。焊接变形的数值模拟和理论预测在研究和设计领域已得到了广泛应用，它为解决焊接残余应力和变形这一难题带来了新思路和新方法。
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控制焊接变形的工艺措施 宜按下列要求采用合理的焊接顺序控制变形: 1 对于对接接头、T 形接头和十字接头坡口焊接，在工件放置条件允许或易于翻身的情况下，宜采用双面坡口对称顺序焊接；对于有对称截面的构件，宜采用对称于构件中和轴的顺序焊接； 2 对双面非对称坡口焊接，宜采用先焊深坡口侧部分焊缝、 后焊浅坡口侧、最后焊完深坡口侧焊缝的顺序； 3 对长焊缝宜采用分段退焊法或与多人对称焊接法同时运用； 4 宜采用跳焊法，避免工件局部加热集中。 5 在节点形式、焊缝布置、焊接顺序确定的情况下，宜采用熔化极气体保护电弧焊或药芯焊丝自保护电弧焊等能量密度相对较高的焊接方法，并采用较小的热输入。 6 宜采用反变形法控制角变形。 7 对一般构件可用定位焊固定同时限制变形；对大型、厚板构件宜用刚性固定法增加结构焊接时的刚性。 8 对于大型结构宜采取分部组装焊接、分别矫正变形后再进行总装焊接或连接的施工方法。 钢材应符合以下要求： 1 清除待焊处表面的水、氧化皮、锈、油污； 2 焊接坡口边缘上钢材的夹层缺陷长度超过25mm 时，应采用无损探伤检测其深度，如深度不大于6mm，应用机械方法清除；如深度大于6mm，应用机械方法清除后焊接填满；若缺陷深度大于25mm 时，应采用超声波探伤测定其尺寸，当单个缺陷面积(a ×d)或聚集缺陷的总面积不超过被切割钢材总面积(B×L)的4%时为合格，否则该板
不宜使用； 3 钢材内部的夹层缺陷，其尺寸位置离母材坡口表面距离(b)大于或等于25mm 时不需要修理；如该距离小于25mm 则应进行修补； 4 夹层缺陷是裂纹时，如裂纹长度(a)和深度(d)均不大于50mm，其修补方法应符合第6.6 节的规定；如裂纹深度超过50mm 或累计长度超过板宽的20% 时，该钢板不宜使用。 焊接材料应符合下列规定: 1 焊条、焊丝、焊剂和熔嘴应储存在干燥、通风良好的地方，由专人保管； 2 焊条、熔嘴、焊剂和药芯焊丝在使用前，必须按产品说明书及有关工艺文件的规定进行烘干。 3 低氢型焊条烘干温度应为350～380_，保温时间应为1.5～2h，烘干后应缓冷放置于110～120_的保温箱中存放、待用；使用时应置于保温筒中；烘干后的低氢型焊条在大气中放置时间超过4h 应重新烘干；焊条重复烘干次数不宜超过2 次；受潮的焊条不应使用；
摘要 焊接过程是对焊件的局部进行高温加热使其达到融化状态，随后快速冷却结晶形成焊缝，由于急剧的非平衡加热及冷却,结构将不可避免地产生焊后残余变形、应力以及金属组织的变化。焊接应力与变形直接影响焊件的尺寸精度、强度、刚度、稳定性以及耐腐蚀性能等。是影响结构设计完整性、制造工艺合理性和结构使用可靠性的关键因素。焊接应力与变形过大时，不仅给产品制造工艺增加困难，还会因焊接裂纹或变形过大无法矫正而导致构件报废，造成巨大经济损失。本文主要阐述焊接变形的影响因素、控制措施和方法。 关键词:焊接变形;影响因素;控制措施
目录 第一章 1页
第一章焊接应力 在没有外力的情况下，物体内部存在的应力称为内应力，内应力在物体内部自相平衡，即物体内部各方向的内应力总和等于零，内应力对于任何一点的力矩总和等于零。常见的内应力有以下几种： 1、热应力：又称温度应力。它是在不均匀加热及冷却过程中所产生的应力，它与加热温度和加热不均匀程度、焊件的钢度以及焊件材料的热物理性能等因素有关。 2、相变应力：金属发生相变时，由于体积发生变化而引起的应力。 3、装配应力：在装配和安装过程中产生的应力。例如：紧固螺栓、热套结构等均匀有内应力产生。 4、残余应力：当构件上承受局部荷载或经受不均匀加热时，都会在局部地区产生塑性应变。当局部外载撤去后或热源离去，构件温度恢复到原始的均匀状态时，由于构件内部发生了不能恢复的塑性变形，因而产生了内应力，即残余应力。残留下来的变形即残余变形。 焊接过程中焊件的热应力是随时间而变化的瞬时应力，焊后残余下来，即为残余应力。按照焊接应力在空间的方向可以分为单项应力、双向应力和三项应力。薄板对接时，可以认为是双向应力。大厚度焊件的焊缝，三个焊缝的交叉处以及存在裂缝、加渣等缺陷通常出现三向应力，三相应力使材料的塑性降低、容易导致脆性断裂，它是一种最危险的应力状态。 第二章焊接变形 一、焊接变形发生的原因 钢材的焊接通常采用熔化焊方法,把焊接局部连接处加热至溶化状态形成熔池,待其冷却结晶后形成焊缝,使原来分开的钢材连接成整体。由于焊接加热时还焊接接头局部加热不均匀,金属冷却后沿焊缝纵向收缩时受到焊件低温部分的阻碍，使焊缝及其附近区域受拉应力，远离焊缝区域受压应力。因加热、冷却这种热变化在局部范围急速地进行,膨胀和收缩变形均受到拘束而产生塑性变形，焊接完成并冷却至常温后该塑性变形残留下来，焊接变形因此产生。 二、焊接变形的主要形式
论文关键词：大面积薄板焊接变形控制 论文摘要：在大面积薄板焊接工程中．焊接变形量的大小是衡量该工程成功与否的重要标志，也是工程质量好环的关键，因此控制焊接变形是人们十分重视而致力于研究的课题。本文就煤气柜底板焊接工程的成功经验和失败教训阐述控制薄板焊接变形的一些行之有效的方法及一些初浅的见解，旨在类似工程中借鉴和参考。 如何控制焊接应力和变形到最小是大面积薄板焊接中最关键的一个环节。控制大面积薄板焊接工程的焊接变形不能单一行事，而应综合治理。试验经验告诉我们，焊接工程中的焊接变形和焊后残余应力并不是两种孤立的现象。两者之间的联系是有机的，它们同时存在于同一焊件，相辅相成而又相互制约。大面积薄板焊接焊缝形式主要为对接和搭接。但这两种焊缝形式产生的变形基本一样，出产生横向收缩和纵向收缩外，如图一、二所示，还会产生失稳翘曲变形如图三所示，即常见的薄板焊接后产生的鼓包。 图一焊接横向收缩图二焊接纵向收缩
图三焊接失稳翘曲变形 在实际工程中要想获得最佳的理想状态。使三种方式的应力和变形合理分布在该结构中，使之相互制约、相互控制，正负压力保持在一个平衡的状态下。这一指导是控制大面积薄板焊接工程中焊接变形的有效途径。本文一工程中常见的曼型煤气柜的底板焊接为例进行分析。 1、以10万立曼型煤气柜的底板为例 煤气柜底板焊接工程是十分典型的大面积薄板焊接工程。底板面积为1586.27m2，焊缝总长为。底板由中心板和内外环板组成。中心板和内环板为δ=5mm厚钢板组成，外环板为δ=8mm钢板组成。钢板材质均为Q235B。底板的结构形式如图四所示。
图四罐底板焊接布置图 2、技术难点 面积大，板比较薄，内外环板厚度不一致，为厚板与薄板对接，规范要求底板的平面度不大于D/500，且不大于60mm。这就要求在施工时根据理论与施工经验来制定严格的施工工艺，稍不注意就会使产生较大的凸起，给后续施工带来很大的麻烦。重新修理难度较大，同时会使生产成本大大地增加。而此问题的产生原因归根到底就是由于焊接工程中由于对焊接应力和变形产生的机理不了解，不能合理地安排施工工艺而导致的结果。因此，合理的施工工艺安排，是在掌握其产生机理原理分析的基础上产生的，也就是要理论与实践要相结合。 3、焊接工艺及剖析 (1)分析焊接应力和变形产生的机理、影响因素及其内在联系 如下图四所示，给出了引起焊接应力和变形的主要因素及其内在联系。
1、利用反变形法控制焊接变形 为了抵消和补偿焊接变形，在焊前进行装配时，先将工件向与焊接变形相反的方向进行人为的变形，这种方法称为反变形法。反变形法是生产中最常用的方法，通常适用于控制焊件的角变形和弯曲变形。 2、用刚性固定法控制焊接变形 利用夹具、支撑、专用胎具、定位焊等方法来增大结构的刚性，减小焊接变形的方法称为刚性固定法。刚性固定法简单易行，是生产中常用的一种减小焊接变形的方法。生产中常用刚性固定配合反变形来控制焊接变形。 3、选择合理的装焊顺序控制焊接变形 同一焊接结构，采用不同的装焊顺序，所引起的焊接变形量往往不同，应选择引起焊接变形最小的装焊顺序。一般采取先总装后焊接的顺序，结构焊后焊接变形较小。 4、选择合理的焊接顺序控制焊接变形 当焊接结构上有多条焊缝时，不同的焊接顺序将会引起不同的焊接变形量。合理的焊接顺序是指：当焊缝对称布置时，应采用对称焊接；当焊缝不对称布置时，应先焊焊缝小的一侧。此外，采用跳焊法、分段退焊法等控制焊接变形均有较好的效果。 5、散热法 散热法又称强迫冷却法。就是把焊接处热量散走，使焊缝附近的金属受热面大大减小，达到减小变形的目的。散热法有水浸法和散热垫法。 6、锤击法 利用锤击焊缝使焊缝延伸，就能在一定程度上克服由焊缝收缩所引起的变形。例如，薄板对接焊后会产生波浪变形，就可以用锤在焊缝长度方向上对焊缝进行锤击来克服其变形。 7、选择合理的焊接方法 选用能量比较集中的焊接方法如CO2气体保护焊、等离子弧焊来代替气焊和手工电弧焊进行薄板焊接，可减小变形量。 焊接电弧 焊接电弧是一种强烈的持久的气体放电现象。在这种气体放电过程中产生大量的热能和强烈的光辉 。通常，气体是不导电的，但是在一定的电场和温度条件下，可以使气体离解而导电。 焊接电弧就是在一定的电场作用下，将电弧空间的气体介质电离 ，使中性分子或原子离解为带正电荷的正离子和带负电荷的电子（或负离子）， 这两种带电质点分别向着电场的两极方向运动，使局部气体空间导电，而形成电弧。 1、焊缝位置的影响 2.结构的刚性对焊接变形的影响3、装配和焊接顺序对结构变形的影响
在焊接过程中由于急剧地非平衡加热及冷却，结构将不可避免地产生不可忽视地焊接残余变形。焊接残余变形是影响结构设计完整性、制造工艺合理性和结构使用可靠性地关键因素。针对钢结构工程焊接技术地重点和难点，根据多年地工程实践经验, 本文主要阐述实用焊接变形地影响因素及控制措施和方法。 钢材地焊接通常采用熔化焊方法，是在接头处局部加热，使被焊接材料与添加地焊接材料熔化成液体金属，形成熔池，随后冷却凝固成固态金属，使原来分开地钢材连接成整体。由于焊接加热，融合线以外地母材产生膨胀，接着冷却，熔池金属和熔合线附近母材产生收缩，因加热、冷却这种热变化在局部范围急速地进行，膨胀和收缩变形均受到拘束而产生塑性变形。这样，在焊接完成并冷却至常温后该塑性变形残留下来。 焊接变形地影响因素 焊接变形可以分为在焊接热过程中发生地瞬态热变形和在室温条件下地残余变形。 影响焊接变形地丙素很多，但归纳起来主要有材料、结构和工艺3个方而。 1 . 1材料因素地影响 材料对于焊接变形地影响不仅和焊接材料有关，而且和耳材也有关系，材料地热物理性能参数和力学性能参数都对焊接变形地产生过程有重要地影响。英中热物理性能参数地影响主要体现在热传导系数上，一般热传导系数越小，温度梯度越大，焊接变形越显箸。力学性能对焊接变形地影响比较复杂，热膨胀系数地影响最为明显，随着热膨胀系数地增加焊接变形相应增加。同时材料在高温区地屈服极限和弹性模量及其随温度地变化率也超着十分重要地作用，一般情况下，随着弹性模量地增大，焊接变形随Z减少而较高地屈服极限会引起较高地残余应力，焊接结构存储地变形能量也会因此而增大，从而可能促使脆性断裂，此外，由于塑性应变较小且塑性区范協不大, 因而焊接变形得以减少。 1 ? 2结构因素地影响 焊接结构地设讣对焊接变形地影响最关键，也是最复杂地因素-其总体原则是随拘束度地增加，焊接残余应力增加，而焊接变形则相应减少。结构在焊接变形过程中, 工件本身地拘束度是不断变化着地，因此自身为变拘束结构，同时还受到外加拘束地影响。一般情况下复杂结构自身地拘束作用在焊接过程中占据主导地位，而结构本身在焊接过程中地拘束度变化情况随结构复杂程度地增加而增加，在设il焊接结构时，常需要采用筋板或加强板来提高结构地稳左性和刚性，这样做不但增加了装配和焊接工作S,而且在某些区域，如筋板、加强板等，拘束度发生较大地变化，给焊接变形分析与控制带来了一泄地难度。因此，在结构设汁时针对结构板地厚度及筋板或加强筋地位置数量等进行优化.对减小焊接变形有着十分重要地作用。 1.3工艺因素地彩响
钢结构制造事业部焊接变形控制工艺 编制： 校对： 审核： 批准： 重庆建工工业有限公司 钢结构事业部 2015年6月11日
1 焊接应力 (2) 1.1焊接应力的种类 (2) 2 焊接变形 (2) 2.1焊接变形发生的原因 (2) 2.2焊接变形的主要形式 (2) 3 焊接变形的影响因素 (3) 3.1材料因素的影响 (3) 3.2结构设计因素的影响 (3) 3.3焊接工艺的影响 (3) 3.3.1焊接方法的影响 (3) 3.3.2焊接接头形式的影响 (3) 3.3.3焊接层数的影响 (4) 3.4焊接参数的影响 (4) 3.4.1电弧电压 (4) 3.4.2焊接电压过高 (4) 3.4.3焊接速度 (4) 3.4.4焊丝伸出长度 (4) 3.4.5焊枪倾斜角度 (4) 4 焊接变形的预防与控制措施 (5) 4.1设计措施 (5) 4.4.1尽量减少焊缝数量 (5) 4.4.2合理地选择焊接的尺寸和形式 (5) 4.4.3合理设计结构形式及合理安排焊缝位置 (5) 4.2工艺措施 (5) 4.2.1焊前预防措施 (5) 4.2.2焊接过程控制措施 (6) 4.3焊后矫正措施 (6) 4.3.1机械矫正 (6) 4.3.2加热矫正 (6)
1 焊接应力 焊接时，由于焊缝局部加热到高温状态，焊件温度均匀不分布，造成钢结构不均匀冷却收缩而产生变形。其次，在焊接时，由于不同焊接热循环作用引起金相组织发生转变，随之而出现体积的变化，当体积变化受到周围金属阻碍时便产生了应力，从而出现整体变形。 焊接变形分为局部变形和整体变形。局部变形指焊接结构的某部分发生变形，在焊接中易于矫正；整体变形指整个结构的形状或尺寸发生变化，是由于焊接在各个方向上收缩不均所引起的，这在焊接中尤为重要，一般不允许发生整体变形。焊接变形产生的原因很多，不均匀的局部加热和冷却是最主要原因。焊接时，焊件局部加热到熔化状态，形成了温度不均匀分布区，使焊接出现不均匀的热膨胀，热膨胀受到周围金属的阻碍不能自由膨胀而受到压应力，周围的金属则受到拉应力。当被加热金属受到的压应力超过屈服点时，就会产生塑性变形；焊接冷却时，由于加热的金属在加热时已产生了压缩的塑性变形，所以，最后的长度要比未被加热金属的长度短些，从而产生变形。 1.1焊接应力的种类 1.1.1热应力：又称温度应力。它是在不均匀加热及冷却过程中所产生的应力，它与加热温度和加热不均匀程度、焊件的钢度以及焊件材料的热物理性能等因素有关。 1.1.2相变应力：金属发生相变时，由于体积发生变化而引起的应力。 1.1.3装配应力：在装配和安装过程中产生的应力。 1.1.4残余应力：当构件上承受局部荷载或经受不均匀加热时，都会在局部地区产生塑性应变。当局部外载撤去后或热源离去，构件温度恢复到原始的均匀状态时，由于构件内部发生了不能恢复的塑性变形，因而产生了内应力，即残余应力。残留下来的变形即残余变形。 焊接过程中焊件的热应力是随时间而变化的瞬时应力，焊后残余下来，即为残余应力。 2 焊接变形 2.1焊接变形发生的原因 钢材的焊接通常采用熔化焊方法,把焊接局部连接处加热至溶化状态形成熔池,待其冷却结晶后形成焊缝,使原来分开的钢材连接成整体。由于焊接加热时还焊接接头局部加热不均匀,金属冷却后沿焊缝纵向收缩时受到焊件低温部分的阻碍，使焊缝及其附近区域受拉应力，远离焊缝区域受压应力。因加热、冷却这种热变化在局部范围急速地进行,膨胀和收缩变形均受到拘束而产生塑性变形，焊接完成并冷却至常温后该塑性变形残留下来，焊接变形因此产生。 2.2焊接变形的主要形式 焊接变形主要有收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和破浪变形五种基本形式。其成因如下： 收缩变形是由于焊缝的纵向（沿焊缝方向）和横向（垂直焊缝方向）收缩引起的 角变形由于V型坡口对接焊焊缝布置不对称，造成焊缝上下横向收缩量不均匀而引起的变形
图1 肋板盒（材质:316）图2 肋板盒焊接未改之前 3 肋板盒焊接改善之后图 4 焊接内应力消除处理肋板盒案例分析： 结构组成：侧板（400*374*1259*46*44）3部分。 316不锈钢。 MIG焊接（氩弧焊） 型坡口，单边倒角 接使侧板与底板根部母材完全熔合。二层、三层再利用焊丝焊接；
，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，随着坡口角度和间隙的减小，横向收缩减小，同时角变形也减小。 1.5 焊接层数的影响 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 在工程焊接实践中，由于各种条件因素的综合作用，焊接残余变形的规律比较复杂，了解各因素单独作用的影响便于对工程具体情况做具体的综合分析。所以，了解焊接变形产生的原因和影响因素，则可以采取以下控制变形的措施 : 1)减小焊缝截面积，在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下，尽可能采用较小的坡口尺寸 (角度和间 隙 316不锈钢成分及机械性能 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)双面均可焊接操作时，要采用双面对称坡口，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。
造船中的焊接变形和反变形控制 1.研究背景 船舶工业是传统的劳动密集型装配制造业，焊接操作是其中主要的作业形式之一，焊接水平的高低在很大程度上决定了船体的质量和生产效率,而焊接变形又是焊接过程中最难控制的一环。焊接变形的存在不仅造成了焊接结构形状变异,尺寸精度下降和承载能力降低,而且在工作荷载作用下引起的附加弯矩和应力集中现象是船舶结构早期失效的主要原因,也是造成船舶结构疲劳强度降低的原因之一[1]。焊接变形对现代造船技术的应用产生了障碍。由于焊接变形对船舶建造质量、成本和周期都具有重要影响，工业界一直对其非常重视，对焊接变形从实验和理论上进行了大量研究，希望能够对焊接过程进行有效预测和控制。反变形可以控制焊接变形，降低残余应力，且方法简单易行，在船舶行业有广泛的应用。 2.背景内容 针对造船中的焊接变形，国内外专家进行大量的研究。焊接过程是一个非平衡的、时变的、带有随机因素影响的物理化学过程，它涉及电弧物理、传质传热和力学等方面。至今对焊接过程变形的实时检测与监控仍是困难的，不仅需要特殊的方法，而且对设备的要求也很高。随着计算机软、硬件技术的快速发展，使得焊接热加工过程的数值模拟应运而生，实践证明数值模拟对于研究焊接现象是一种非常有用的方法。 2.1国外专家的预测和研究 20世纪30年代以来，许多苏联学者就开始了焊接变形计算与控制研究。如C.A.库兹米诺夫[2]研究了典型船体结构总变形和局部变形的计算方法，提出了减少和补偿焊接变形以及矫正主船体结构的解决方案。Greene和Holzbaur[3]开展了降低焊接残余应力和变形的研究，目前降低残余应力和焊接变形技术大多数由他们制定的法则演变而来。法国的国际焊接研究所对“焊接结构中残余
令狐采学创作 焊接变形的控制 方法 令狐采学 1 焊接应力与变形 焊接是一种局部加热的工艺过程。焊接过程中以及焊后,构件不可避免地会产生焊接应力和变形。焊接应力和变形在一定条件下还影响焊接结构的性能,如强度、刚度、尺寸精度和稳定性、受压时的稳定性和抗腐蚀性等。不仅如此,过大的焊接应力与变形, 还会大大增加制造工艺中的困难和经济消耗, 而且往往因焊接裂纹或变形过大无法矫正而导致产品的报废。 2 焊接应力与变形的形成过程 焊接应力与变形是由焊接产生的不均匀温度场而引起的。 假设有一块平板条( 如图所示) , 在他中心堆置一条焊缝。 图1 假定是焊接加热时的情况。 图 2 为焊接以后, 温度恢复到室温时的情况。与此同时, 由于不均匀加热还会产生垂直焊缝方向( 横向) 的盈利和 变形, 厚度则还产生板厚度方向的应力。 3 影响焊接应力与变形的主要因素
令狐采学创作 影响焊接应力与变形的因素主要有两个方面,第一个方面是焊缝及其附近不均匀加热的范围和程度, 也就是产生热变形的范围和程度; 第二个方面是焊件本身的刚度以及受到周围拘束的程度; 实际上也就是就是阻止焊缝及其附近加热所产生热变形的程度。两个方面作用的结果决定了焊缝附近压缩塑性变形区的大小和分布, 也决定了残余应力与残余变形的大小。 焊缝尺寸和焊缝数量及为止, 材料的热物理性能( 导热系数、比热、膨胀系数等) , 焊接工艺方法( 气焊、手工焊、埋弧焊、气体保护焊等) , 焊接参数( 焊接电流、电弧电压、焊接速度等) 以及施焊方法( 直通焊、跳焊、逆向分段汉等) 等因素影响到焊缝及其附近区不均加热的范围和程度, 影响到热变形的大小和分布; 焊接构件的尺寸和形状, 胎夹具的应用, 焊缝的布置以及装配焊接顺序等因素影响到焊接构件的刚度和周围的约束程度。一般来说, 焊接构件在约束小的条件下, 焊接变形达而应力小; 反之, 则焊接变形小而应力大。 4 焊接残余变形的预防和矫正 4.1 设计措施
行业资料：________ 控制压力容器管板焊接变形的方法 单位：______________________ 部门：______________________ 日期：______年_____月_____日 第1 页共8 页
控制压力容器管板焊接变形的方法 在压力容器制造中，由于在控制压力容器管板进行焊接时，没有对焊接工艺参数进行合理的选择，导致在焊接过程管板焊接变形，本文主要对控制压力容器管板焊接变形的方法进行探讨。随着科学技术的迅猛发展，压力容器被普遍应用到能源工业、石油化学工业、科研工业等工业的生产过程中。因为压力容器属于危险性比较高的一类物品,很容易出现燃烧起火、爆炸等情况，对相关人员和单位造成一定的经济损失和伤害。在压力容器在压力容器制造中，往往由于组装与施焊的顺序不当，以及焊接工艺参数选择的不合理，易引起管板焊接变形，导致密封不严，管子拉脱。因此，在压力容器制作的过程中,对密封性要求非常的高。为了有效的避免因为各种不利因素对导致压力容器的密封性降低,本文主要对控制压力容器管板焊接变形的方法进行探讨。管板焊接变形的原因及影响因素 管板焊接变形的原因主要表现在两个方面。一是主要是由于筒体与管板焊接的横向收缩变形在厚度方向上的不均匀分布引起的；管板与筒体的焊缝一般为单面单边V型坡口，焊接时焊缝的背面和正面的熔敷金属的填充量不一致，造成了构件平面的偏转，所以这种变形在客观上是绝对存在的；二是管板与筒体焊接角变形主要由两种变形组成，即筒体与管板角度变化和管板本身的角变形，前者相当于两个工件对接焊接引起的角变形，后者相当于在管板上堆焊时引起的角变形。而焊接变形的大小的主要取决于管板的刚性、焊接线能量、坡口角度、焊缝截面形状、熔敷金属填充量焊接操作等因素有关。根据管板变形的原因及影响因素，由于管板焊接不能实现双面焊，焊接时电流过大会引起烧穿伤及换 第 2 页共 8 页
焊接变形的控制及预防措施探究 焊接过程中，由于焊缝金属和基础材料的冷热循环问题所引发的收缩、膨胀，被称之为是焊 接变形问题。在进行焊接工作的时候，沿着同一边进行焊接，可能会引发变形超过两边交叉 焊接，并且由于焊接所引发的冷热循环中，会对金属的收缩性造成影响，并导致变形问题的 出现，像金属在受热过程中，其机械、物理性能都会有所变化，当热膨胀增大、热量增大的 时候，焊接区域的温度会升高，进而导致焊接区域钢板的弹性、强度和热导性能出现降低的 情况。 1 焊接应力和焊接变形的定义 在钢结构焊接过程中，由于焊接时产生的热源以及焊接热循环的影响，使焊件不均匀受热， 在焊件上形成了不均匀的温度区域，致使焊件根据钢结构的特性不均匀的收缩及膨胀，使焊 件内部形成焊接应力引起形变。焊接应力根据焊件材质、焊接时施工方法、焊接工艺及固定 时的拘束程度等，造成不同的焊接应力大小及分布，按照焊接应力作用方向可将其分为三大类，分别为单向力、双向应力及三向应力。薄板的对接焊划归为双向应力；大厚度焊件、丁 字焊缝划归为三向应力，其具有纵向应力、横向应力及厚度方向产生的应力。三向应力会使 钢结构的脆性断裂更易发生，降低材料的塑性，是一种存在安全隐患的应力状态。焊接残余 应力和变形，对钢结构的承载能力以及构件的加工精度有着很大的影响，施工中应该从源头 抓起，强化设计方案，增强焊接工艺、焊接方法的精确度，降低焊接应力和残余变形对钢结 构造成的影响。 2 导致焊接变形的原因 1)焊接应力的产生是导致焊接变形最主要的原因。焊接工件的大小程度，复杂情况会产生大 小数量不等的复杂焊缝。在处理焊缝的过程中，就有难以预测的复杂应力产生，从而导致焊 接变形。变形度越大那么工件的外观和质量就会受影响。甚至可能会报废，或发生安全事故，造成经济损失。2)受焊接材料的影响。焊接材料的质量好坏对焊接变形会产生影响。材料基 本都是金属，金属本身有特殊的热物理性。焊接材料的热传导系数越大，温度梯度较小，这 样焊接变形的几率也就越小。焊接是向母材料焊口加热，让其产生高温，使焊材与母材料完 全融合。如果在加热过程中，受热不均匀，都会导致焊接变形。3)焊接结构的设计。焊接结 构因素是焊接变形的最大原因。焊接结构设计非常复杂。工件自身是拘束体，它随焊接而慢 慢变化。所以工作的难度比较大。焊接会出现数量、结构不一样的焊缝。如果焊缝的结构复杂，焊接就更难掌握。因为一部分结构件设计繁琐。技术含量要求比较高，所以对焊接的各 环节的要求都很严格。假设焊接结构设计不合理，其中随便哪一个地方出现问题，都会出现 焊接变形的情况。4)没有制定合理的焊接工艺。不合理的焊接工艺会影响产品的质量和生产 效率。焊接工艺也考验师傅的手艺。当然，对技师的要求也必须要高。焊接时所需要的电压、工件的固定、焊接的前后顺序，怎么选择合理的焊接设备，等各方面用到的工具都是焊接工 艺对焊接变不变形的重要影响部分。这就需要丰富的理论知识和实践经验的技师来制定合理 的焊接工艺。 3 钢结构焊接变形与焊接应力的分类 3.1 钢结构焊接变形的种类 钢结构焊接变形可以分为两大类，即为面内变形和面外变形。而面内变形可分为纵向收缩变形、焊缝回转变形及横向收缩变形三小类，面外变形多为弯曲形变、扭曲形变、角形变及失 稳波浪形变等。其中，钢结构多表现为纵向收缩变形和横向收缩变形，而在不同焊件中，这 两种变形往往会因焊缝的数量及位置分布不同，表现出其他形式的变形。 3.2 残余应力的分类
1、焊接变形的定义 在焊接过程中，焊缝金属和基材的冷热循环所引起的膨胀和收缩形成焊接变形。焊接时，沿 同一边持续焊接引起的变形比两边交叉焊接的变形大。在焊接引起的冷热循环中，很多因素 影响金属的收缩并导致变形，如金属在受热时其物理、机械性能发生变化。当热膨胀增加、 热量增大时(见图1)，焊接区域温度升高，焊接区域钢板的弯曲强度、弹性、热导性能将降低。 2、产生焊接变形的原因 在金属冷热变化过程中，应了解怎样产生变形、为什么产生变形。图2 为一组钢板冷热变化 时产生的变形示例。均匀加热钢板时，向各个方向均匀膨胀，见图2a。当钢板冷却至室温时，也是均匀收缩并恢复至原始尺寸。如果钢板在加热时给予刚性约束(见图2b)，两个侧边就不 会产生变形。但是，加热时钢板一定会膨胀，所以只能在无约束的垂直方向膨胀(厚度方向)，从而使钢板变得更厚。同样，当钢板温度降至室温时，也将在各方向上收缩(见图2c)，这样，工件就发生了永久性弯曲或扭曲变形。
在焊接受热过程中，膨胀和收缩作用于焊接金属和基材上，焊缝和基材因局部被加热而形成 很大的温度梯度。冷却时，焊接金属试图正常收缩至室温时的体积。但是，熔化的焊接金属 因基材而受到约束，焊缝金属和基材之间就会产生应力集中。焊缝附近区域因此产生应力集 中而伸展或弯曲或变薄，这些超过焊缝金属屈服应力的集中释放就形成了永久变形。当焊接 温度接近室温，整个基材受到约束而无 法变形，金属的伸缩应力接近屈服应力。如果约束(夹具固定工件或反收缩力)取消，残余应 力释放，基材将发生迁移，焊接工件将产生变形。金属内部结构因焊接不均匀的加热和冷却 产生的内应力叫焊接应力，由焊接应力造成的变形叫焊接变形。不同的焊接工艺引起的焊接 变形量不同。 3 影响焊接结构变形的主要因素和变形的种类 (1)影响焊接结构变形的主要因素。 a．焊缝在结构中的位置； b．结构刚性的大小； c．装配和焊接顺序； d．焊接规范的选择。 (2)焊接变形的种类。 a．纵向收缩和横向收缩(在焊缝长度方向上的收缩称纵向收缩，在垂直于焊缝纵向的收缩称 横向收缩)； b．角变形； c．弯曲变形； d．波浪变形； e．扭曲变形。 (3)从焊接工艺上分析，影响焊接收缩量的因素。 a．采用焊条电弧焊焊接长焊缝时，一般采用焊前沿焊缝进行点固焊，有利于减小焊接变形，同时也有利于减小焊接内应力。 b．备料情况和装配质量对焊接变形也会产生影响。 c．焊接工艺中影响焊缝收缩量的因素有： ①线膨胀系数大的金属材料其焊接变形大，反之焊接变形小。 ②焊缝的纵向收缩量随着焊缝长度的增加而增加。 ③角焊缝的横向收缩比对接焊缝的横向收缩小。 ④间断焊缝比连续焊缝的收缩量小。 ⑤多层焊时，第一层引起的收缩量最大，以后各层逐渐减小。 ⑥在夹具固定条件下的焊接收缩量比没有夹具固定的焊接收缩量小，减少约40％～70％。
焊接变形的种类。 焊接过程中焊件产生的变形称为焊接变形。焊后，焊件残留的变形称为焊接残余变形。焊接残余变形有纵向收缩变形、横向收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和波浪变形等共六种，见图1，其中焊缝的纵向收缩变形和横向收缩变形是基本的变形形式，在不同的焊件上，由于焊缝的数量和位置分布不同，这两种变形又可表现为其它几种不同形式的变形。 2 焊件在什么情况下会产生纵向收缩变形？ 焊件焊后沿平行于焊缝长度方向上产生的收缩变形称为纵向收缩变形。当焊缝位于焊件的中性轴上或数条焊缝分布在相对中性轴的对称位置上，焊后焊件将产生纵向收缩变形，其焊缝位置见表1。
焊缝的纵向收缩变形量随焊缝的长度、焊缝熔敷金属截面积的增加而增加，随焊件截面积的增加而减少，其近似值见表2。 表2 焊缝纵向收缩变形量的近似值（mm/m） 对接焊缝连续角焊缝间断角焊缝 0.15～0.3 0.2～0.4 0～0.1 注：表中所表示的数据是在宽度大约为15倍板厚的焊缝区域中的纵向收缩变形量，适用于中等厚度的低碳钢板。 3 试述焊缝的横向收缩变形量及其计算。 焊件焊后在垂直于焊缝方向上发生的收缩变形称为横向收缩变形，横向收缩变形量随板厚的增加而增加。低碳钢对接接头、T形接头和搭接接头的横向收缩变形量，见表3、表4。
对接接头横向收缩变形量的近似计算公式，见表5。 表5 对接接头横向收缩变形量的近似计算公式坡口形式横向缩短量计算公式 Y形双Y形△L横=0.1δ①+0.6 △L横=0.1δ+0.4 ①δ——板厚（mm）。 当两板自由对接、焊缝不长、横向没有约束时，横向收缩变形量要比纵向的大得多。 4 焊件在什么情况下会产生弯曲变形？ 如果焊件上的焊缝不位于焊件的中性轴上，并且相对于中性轴不对称（上下、左右），则焊后焊件将会产生弯曲变形。如果焊缝集中在中性轴下方（或下方焊缝较多）则焊件焊后将产生上拱弯曲变形；相反如果焊缝集中在中性轴上方（或上方焊缝较多），则焊件焊后将产生下凹弯曲变形。又如果焊件相对焊件中性轴左、右不对称，则焊后将产生旁弯，焊件产生弯曲变形的焊缝位置，见表6。
焊接变形的影响因素与控制(一) 摘要:在焊接过程中由于急剧的非平衡加热及冷却,结构将不可避免地产生不可忽视的焊接残余变形。焊接残余变形是影响结构设计完整性、制造工艺合理性和结构使用可靠性的关键因素。针对钢结构工程焊接技术的重点和难点,根据多年的工程实践经验,本文主要阐述实用焊接变形的影响因素及控制措施和方法。 关键词:焊接变形;影响因素;控制措施 Abstact:Obviousresidualweldingdeformationisproducedinstructureinevitablyunbalancedheatinga ndcoolingduringwelding.whicharekeyinfluencingfactorsofstructuraldesignintegrity,manufacturingt echnologyrationalityandstructuralreiability.Basedonemphasisanddifficultiesofstructuralwelding,in fluencingfactorsandcontrolmeasuresforweldingdeformationareintroducedaccordingtoconstructio nexperience. Keywords:weldingdeformation;influencingfactor;controlmeasure 钢材的焊接通常采用熔化焊方法,是在接头处局部加热,使被焊接材料与添加的焊接材料熔化成液体金属,形成熔池,随后冷却凝固成固态金属,使原来分开的钢材连接成整体。由于焊接加热,融合线以外的母材产生膨胀,接着冷却,熔池金属和熔合线附近母材产生收缩,因加热、冷却这种热变化在局部范围急速地进行,膨胀和收缩变形均受到拘束而产生塑性变形。这样,在焊接完成并冷却至常温后该塑性变形残留下来。 1焊接变形的影响因素 焊接变形可以分为在焊接热过程中发生的瞬态热变形和在室温条件下的残余变形。 影响焊接变形的因素很多,但归纳起来主要有材料、结构和工艺3个方面。 1.1材料因素的影响 材料对于焊接变形的影响不仅和焊接材料有关,而且和母材也有关系,材料的热物理性能参数和力学性能参数都对焊接变形的产生过程有重要的影响。其中热物理性能参数的影响主要体现在热传导系数上,一般热传导系数越小,温度梯度越大,焊接变形越显著。力学性能对焊接变形的影响比较复杂,热膨胀系数的影响最为明显,随着热膨胀系数的增加焊接变形相应增加。同时材料在高温区的屈服极限和弹性模量及其随温度的变化率也起着十分重要的作用,一般情况下,随着弹性模量的增大,焊接变形随之减少而较高的屈服极限会引起较高的残余应力,焊接结构存储的变形能量也会因此而增大,从而可能促使脆性断裂,此外,由于塑性应变较小且塑性区范围不大,因而焊接变形得以减少。 1.2结构因素的影响 焊接结构的设计对焊接变形的影响最关键,也是最复杂的因素。其总体原则是随拘束度的增加,焊接残余应力增加,而焊接变形则相应减少。结构在焊接变形过程中,工件本身的拘束度是不断变化着的,因此自身为变拘束结构,同时还受到外加拘束的影响。一般情况下复杂结构自身的拘束作用在焊接过程中占据主导地位,而结构本身在焊接过程中的拘束度变化情况随结构复杂程度的增加而增加,在设计焊接结构时,常需要采用筋板或加强板来提高结构的稳定性和刚性,这样做不但增加了装配和焊接工作量,而且在某些区域,如筋板、加强板等,拘束度发生较大的变化,给焊接变形分析与控制带来了一定的难度。因此,在结构设计时针对结构板的厚度及筋板或加强筋的位置数量等进行优化,对减小焊接变形有着十分重要的作用。 1.3工艺因素的影响 焊接工艺对焊接变形的影响方面很多,例如焊接方法、焊接输入电流电压量、构件的定位或固定方法、焊接顺序、焊接胎架及夹具的应用等。在各种工艺因素中,焊接顺序对焊接变形的影响较为显著,一般情况下,改变焊接顺序可以改变残余应力的分布及应力状态,减少焊接变形。多层焊以及焊接工艺参数也对焊接变形有十分重要的影响。焊接工作者在长期研究中,总结出一些经验,利用特殊的工艺规范和措施,达到减少焊接残余应力和变形,改善残余应力
船舶焊接变形的控制与矫正 摘要：现代造船中焊接工作量在整个船体建造总工作量中占相当大的比例，如不能很好地控制焊接变形，将会给船体装配、主辅机系统的安装带来极大困难，甚至达不到检验要求；本文针对船舶焊接变形的控制与矫正问题，首先分析了产生变形的原因，然后阐述了各种焊接变形的种类，最后分别从变形的控制以及矫正两个方面探讨了减少焊接变形的方法。 关键词：船舶；焊接变形：变形控制；矫正 0.前言 1船体具有足够强度是船舶安全航行、正常营运的基础。要保证船体强度，在建造检验中，必须控制好造船材料、结构装配及结构焊接三个环节的质量。而三个环节中，焊接又是船体建造中最重要又最难控制的一个环节。如何控制和提高焊接质量，对船体监造验船师来讲是一个重要课题。 众所周知，所谓船体建造，其过程就是施工者依据施工图纸的技术要求对不同规格的钢材进行“放样、下料、加工”，然后再利用焊接工艺方法将它们“缝合”在技术图纸所规定的各自的位置上，从而形成整个船体。焊接对保证船体的强度起着决定性作用。在本文中着重讲解讨论船舶焊接变形的控制与矫正。 船体结构是一种典型的焊接结构。据统计，现代造船中焊接工作量在整个船体建造总工作量中占相当大的比例，焊接的质量和生产效率直接影响到船体的建造周期、成本和使用性能。对船体钢板比较薄的船舶来说，焊接引起的变形更为严重，如不能很好地控制焊接变形，将会给船体装配、主辅机系统的安装带来极大困难，甚至达不到质量检验要求，施工中焊接变形的控制与矫正显得尤为重要。为了更好的控制焊接变形以及对焊接变形进行矫正，本文首先分析一下焊接变形的原因。
1.焊接变形产生的原因 电弧焊是一个不均匀的快速加热和冷却的过程。焊接过程中及焊后，焊接构件都将产生变形。影响焊接变形最根本的因素是焊接过程中的热变形和焊接构件的刚性条件。在焊接过程中的热变形受到了构件刚性条件的约束．出现了压缩塑性变形．这就产生了焊接残余变形。钢材的焊接通常采用熔化焊方法, 是在接头处局部加热,使被焊接材料与添加的焊接材料熔化成液体金属, 形成熔池,随后冷却凝固成固态金属,使原来分开的钢材连接成整体。由于焊接加热,融合线以外的母材产生膨胀,接着冷却,熔池金属和熔合线附近母材产生收缩,因加热、冷却这种热变化在局部范围急速地进行, 膨胀和收缩变形均受到拘束而产生塑性变形。这样,在焊接完成并冷却至常温后该塑性变形残留下来。 焊接变形可以分为在焊接热过程中发生的瞬态热变形和在室温条件下的残余变形。影响焊接变形的因素很多,但归纳起来主要有材料、结构和工艺3 个方面。 1.1材料因素的影响 材料对于焊接变形的影响不仅和焊接材料有关,而且和母材也有关系,材料的热物理性能参数和力学性能参数都对焊接变形的产生过程有重要的影响。其中热物理性能参数的影响主要体现在热传导系数上,一般热传导系数越小,温度梯度越大,焊接变形越显著。力学性能对焊接变形的影响比较复杂,热膨胀系数的影响最为明显,随着热膨胀系数的增加焊接变形相应增加。同时材料在高温区的屈服极限和弹性模量及其随温度的变化率也起着十分重要的作用,一般情况下,随着弹性模量的增大,焊接变形随之减少而较高的屈服极限会引起较高的残余应力,焊接结构存储的变形能量也会因此而增大,从而可能促使脆性断裂,此外,由于塑性应变较小且塑性区范围不大,因而焊接变形得以减少。不同的材料具有不同的热物理性能，例如材料不同，导热系数、比热和膨胀系数等均不相同，产生的热变形也不相同，焊接变形也不相同。 1.2结构因素的影响 焊接结构的设计对焊接变形的影响最关键,也是最复杂的因素。其总体原则是随拘束度的增加,焊接残余应力增加,而焊接变形则相应减少。结构在焊接变形过程中,工件本身的拘束度是不断变化着的,因此自身为变拘束结构,同时还受到外加拘束的影响。一般情况下复杂结构自身的拘束作用在焊接过程中占据主导地位,而结构本身在焊接过程中的拘束度变化情况随结构复杂程度的增加而增加,在
薄板结构件焊接变形的控制与矫正 一、前言 薄板结构件一般指由厚度不大于4毫米的钢板（包括不锈钢板、镀锌板、白铁皮）组焊而成的结构件。在焊接过程中,不可避免会产生一些变形,下面就针对变形控制与矫正进行探讨。 二、焊接变形产生的原因 电弧焊是一个不均匀的快速加热和冷却的过程，焊接过程中及焊后，焊接构件都将产生变形。影响焊接变形最根本的因素是焊接过程中的热变形和焊接构件的刚性条件。在焊接过程中的热变形受到了构件刚性条件的约束，出现了压缩塑性变形，这就产生了焊接残余变形。 二、焊接变形产生的原因 电弧焊是一个不均匀的快速加热和冷却的过程，焊接过程中及焊后，焊接构件都将产生变形。影响焊接变形最根本的因素是焊接过程中的热变形和焊接构件的刚性条件。在焊接过程中的热变形受到了构件刚性条件的约束，出现了压缩塑性变形，这就产生了焊接残余变形。 二、焊接变形产生的原因 电弧焊是一个不均匀的快速加热和冷却的过程，焊接过程中及焊后，焊接构件都将产生变形。影响焊接变形最根本的因素是焊接过程中的热变形和焊接构件的刚性条件。在焊接过程中的热变形受到了构件刚性条件的约束，出现了压缩塑性变形，这就产生了焊接残余变形。 （一）影响焊接热变形的因素 1.焊接工艺方法。不同的焊接方法，将产生不同的温度场，形成的热变形也不相同。一般来说，自动焊比手工焊加热集中，受热区窄，变形较小。CO2气体保护焊焊丝细，电流密度大，加热集中，变形小。 2.焊接参数。即焊接电流、电弧电压和焊接速度。线能量越大，随焊接速度增大而减小。在3个参数中，电弧电压的作用明显，
因此低电压高速大电流密度的自动焊变形较小。3.焊缝数量和断面大小。焊缝数量越多，断面尺寸越大，焊接变形越大。4.施工方法。连续焊、断续焊的温度场不同，产生的热变形也不同。通常连续焊变形较大，断续焊变形最小。5.材料的热物理性能。不同的材料，导热系数、比热和膨胀系数等均不相同，产生的热变形也不相同，焊接变形也不相同。 （二）影响焊接构件刚性系数的因素 1构件的尺寸和形状。随着构件刚性的增加，焊接变形越小。2胎夹具的应用。采用胎夹具，增加了构件的刚性，从而减少焊接变形。3装配焊接程序。装配焊接程序能引起构件在不同装配阶段刚性的变化和重心位置的改变，对控制构件的焊接变形有很大的影响。一般来说，焊接构件在拘束小的条件下，焊接变形大，反之，则变形小。 三、薄板结结构焊接变形的种类 任何钢结构的焊接变形，可分为整体变形和局部变形。整体变形就是焊接以后，整个构件的尺寸或形状发生的变化，包括纵向和横向收缩（总尺寸缩短），弯曲变形（中拱、中垂）和扭曲 变形等。局部变形是指焊接以后构件的局部区域出现的变形，包括角变形和波浪变形等。 四、控制薄板结结构焊接变形的原则与方法 焊接过程中的热变形和施焊时焊接构件的刚性条件是影响焊接残余变形的两个主要因素。根据这两个主要因素可以认为焊接残余变形是不可避免的，即完全消除焊接变形是不太可能的。控制焊接残余变形必须从薄板结构件设计和施工工艺两个方面同时采取措施。