焊接结构教学笔记-哈工大

性交形区虽然扩九但与此同时，由于较高的预热温氏缩小了工件在焊接时的温差，温度趋于均匀化，塑性区内的压缩应变量eJ反而下降。它将减少塑性区的收缩变形量1。erdFo使纵向收缩Al降低。间断焊的纵向收缩变形比连续焊小。其效果随。／f的比值降低而提高(。为分段焊缝长为两段之间的中心距)。在受力不大的地亢用间断焊缝代替连续焊缝是降低纵向收缩变形酌有效措施。

钠制细长构件，如梁、校等结构的纵向收缩量可以通过公式来作初步的估计。单层焊的纵向收缩量，

Fn——悍缝截面积mmI， F——构件截面积mmB， AL——纵向收缩量m叫 L——构件长度mm。

为系数，与焊接方法和材料有关。可从表2—1中查得。

多层焊的纵向收缩量：将上式中FH攻为一层焊缝金局的截面积，并将所计算得的纵向M——层致。

对于两面有角焊缝的丁宁接头的构件，由收缩量公洲“算得66收缩量再乘以系数1．15—1．40即为该构件的纵[d1收缩量。但是应注意，式中的FH，系指一条角焊缝的截面积。

奥氏体钢的热膨胀系数大于低碳钢，汝变形也比低碳钢大。 例题 有低矽钢工字形构件(图2—31)，长5m，腹板而2；(m四，腔板厚10mo，翼板宽250Mm，厚12mm，四条角焊组每条均用埋弧自动焊一次焊风焊角度；8mm，试计算工字形构件的纵向收缩量。

每条角焊缝的截面积： 凡，各M 8x 8；32

F；(2×250x12)十(250×10)＝8500 mm’

由四条角焊缠组成的工字形构件，如图2—31所元其纵向收缩变形量相当于一对带有双面角焊缝的丁字形构件的纵向收缩免而双面角焊壤的丁字形接头的纵向收缩又是单面焊的纵向收缩的1．15一I．40倍(因为双面角焊缝所产生的塑性交形区基本上是重叠的取1l15倍)。故工字形构件的纵向收缩量由下式即可求税

di＝(1．15lLJ今JL)x z＝(1．1s x业笼子‘oL4)x 2 ＝3．16 m皿

当焊缝在构件中的位置不对称时，焊缝所引起的假想压力Pf是一个偏心力，使构件缩短，同时还使构件弯曲，其弯曲力矩为射＝Pf“e，如图2—32所示。构件的挠度／可由下式求得：

L——构件长度，

J——构件截面惯性矩，

塑性区小心到断面中性轴距离(偏心距)。可取焊缝到断面中性轴间的距离。从上述简化了的力学模型以及挠曲变形的计算公式中可以看出，挠曲变形与收缩力Pf和偏iL＼距e成正比。而与构件的刚皮2J成反比。P／的大小与塑性变形区Ff有关。FP的大小与许多因索有关。这一点在分析纵向收缩问题时已讨论了。有关规律也同样适用于挠曲变形，这里不再重复。偏心距与焊缝的位置有关。刚度5J与材料和构仍：截面积的分布有关。焊缝位置对称，或者接近于截面中性轴，则挠度变形小。必须注意，焊缝对称的构件，如果在生产中采用不适当的装配焊接次民仍然可能产生较大的挠曲变形。例如在生产工字形构件时，可以来用

不同的装配焊接次序。如果先装配焊接成丁字形截面(见图2—33。)，然后再装配另一块翼仇焊成工字形截面(见团2—336)。则丁字形构件焊后的挠曲变形为／m工字形截面构件焊后的挠曲变形为／h：式中 eL——焊缝1，3到丁字形截面中性洲的偏心距；焊缝3，459工字形截面中性轴的侗心距；Jl——丁字型截面惯性距，J厂工宇型截而惯性距。种装配焊按顺序d方向相反但在一般情况下，虽然6L＜fj，但是J2》J4，所以lL／JJ＞62／ J：，故／m＞／：。两者不能相互抵消，焊后仍有较大的挠度。如果先将腹板与翼板点固成工字截面然后再焊接，在焊接时又注意焊接次氏如图2—336中括号内次序，则在焊接过程中构件的惯性矩基本上不变，上下两对角焊缝所51起的挠曲变形可以抵消，构件保持乎宜。钢制构件挠度可用下式作初步估计：

单道焊缝引起的挠风

—焊缝到构件中性轴的距离(cm) L——构件长度(c贝)；

FA——焊缝截面积〔cm’)； f——构件截面惯性距(。m‘)； A，——系数可由表2—1查得。

多层焊和双面角焊缝应乘以与纵向收缩公式中相同助系数6：。 三、横向收缩变形及其产生的控曲变形

横向收缩变形系指垂直于焊缝方向的变形。构件在焊接后，不但发生纵向收缩变形。同也发生横向收缩变形。横向收缩变形产生的过程比较复乳现在分几种惰况来分析。堆焊及角焊缝 首先研究在乎板全长上堆焊一条焊缝的情况，当板报窄，焊缀很短时如图2—34，可以把焊绕当作沿全长同时加队采用分折纵向收缩的方法加以处池但在实际堆焊过程中，在焊缝长度上的加热并不是同时进行的，见图2—35l因此沿焊缝长度各点的温度不一致。在热源附近的金属热膨胀变形不但受到板厚深处，而且受到前后温度较低的金属朗限制和约束而承受压力，使之在宽度方向产生压缩塑性变派而在厚度上增厚。焊后产生横向收缩变眠 图2—3‘横向变形的大小与焊接线能量9＝令和板厚松p随着手的提岗，随着扳厚6的增加，横向收缩A5减少。焊焰团2·35 乎扳全面火馅加热产生变形的动态过程佐赔等用熔化极气体保护焊在200 x 200 mm的低碳钢板上进行堆焊，扳回为20mm，得出横向收缩与焊接线能量和扳厚同的关系如图2—36。从团中可以看出横向收缩随4k固态的舵居的增加而增加．当上士5000c。时，横向变形与单位潭度线能量有一个正比关系损向变形沿焊缝长度上的分布并不均匀。这是因为先焊的焊缝的横向收缩对后焊的焊缝产生一个挤压作用，使后者产生更大的横向压缩变形。这样，焊经的横向收缩沿着焊接方向是由小到大逐渐增长的，到一定长度后趋于稳定，见B2—37。丁字接头和捞钱接头角焊缝的初向收缩，在实质上和堆焊相似。它的大小与角焊缝的尺寸和板的厚度有关。应该指出，立板厚度对变形也有—‘定影响，因立板在焊接时吸收部分热能，因而就减少输入横板的热能。立板题厚，横扳上的热能越小，在其它条件相同的情况下，横向变形也就相应减少。横板上的热输入量可用专下面表2—2中列出低破钢试件上所测得的一些致可供参考。由表中可看出在同样的角焊缝尺寸T，板越厚越大，横向收缩越小。板厚6之比，即。／6(。＝o．7K p尺为角焊缝之焊脚)。纵坐标为携肉收缩变形A5，各条曲线上的数字为角焊缝的t1算高度。从图中可以看出横向收缩do随着。的增加而增加，随着6的增加W减少。

(二)对接接头

对接接头的横向收缩也是比较复杂的—种焊接变形现象。现在我们从两个方面来加以分被逐步加热膨胀，使焊接间隙减小。单位厚度焊接线能量g／D6愈九热膨胀众大，间隙变化也愈大。在冷却过程中，焊缝金属由于很快凝固，随后又恢复弹性，因此阻碍乎板的焊接边收缩到原来的位置。这化在冷却后就产生了横向收缩变形(见图2—39)。如果两板间并没有留间隙，则板的膨胀将引起扳边的挤压，使之向厚度方向变形(见图2—40)。在冷却后，产生的向变形取决于烬缝坡口形式。拉口角度越九间隙越九则焊缝截面积也越九所需焊接线能量也越大。对于多层和多道焊对接接头则还应考虑焊缓的层致和道执以及每层每道的焊接规范。对于第一层以外的各层焊道，相当于堆焊或留有纯边但末留间晾时的对接焊情况。冉从另一方面来分析这个问题。前面的分抓只考虑了焊接时的横向热膨胀和收缩所引起的横向变形。实际情况则更为复杂，因为焊接时，沿焊缝纵向的热变形亦能影响横向变形。在分析两块比较窄的乎板的对接叭可以把它看成两块板在相对的一侧进行堆焊。如前所)e，在场侧推焊将引起板的挽曲使它产生转动，间隙亦因而扩大。’转动角度 团2—40 不团间嚏的平板对接焊曲横向变形过程的大小，陈取决于板的宽度以及在宽度上温度分布外，还取决于沿焊组长度方向上的温度分机因为只有当焊缝金后还处于塑性状态，即当其屈服极限很小时，焊接金属才不致阻碍板的挽曲变形。一旦焊经温度降低，金届恢复弹性，焊缝金属将阻碍板的挠曲。在图2—41中，J力焊接热源，B处金届开始恢复弹性，J5之间的焊缠金属的屈服限很小，可视为零。J5之间的距离AJP越大，板的转动就越九间陈的扩张也就越大。在用自动埋弧焊拼板时因所用的功率k，焊接速度论dfP比手工焊九因此间隙的扩大倾向比后者九它的横向收缩员

比后者反而小。当然应该注意到挠曲的影响在板较窄较长时更为明显。此外，横向收缩的大小还与拼装后的点固和装央的情况有关。点固焊越九越密，装夹的刚度越九核向变形也就越小。

上面分析的两方面的因索是互相牙盾的，最终的变形是两个因素的综合纳果。表2—3是低碳钢对接接头横向变形的一些试验数可作参考，这些数据是在大型试件上测得的平均试件在焊前进行了良好的点固。表2—3低碳钢对接接头横向收缩.从表中的数值可以看出对接接头的横向收眠随焊缝金属量的增加而增加。板厚和坡口角度增大变形也增大。埋孤自动焊的收缩量比板厚相近的手工电弧焊的变形小，气焊的变形比电弧好的久如果把对接接头和丁字接头作一对比，可以看出前者的横向收缩远比后者大。下面再举一个大厚度构件的对接接头焊接的具体例子和它的横向收缩的实切结果作为参考。组成，见图2—42。转子用20 Mnsi钢整体恃成。为了便于铁路达讯分为两半。上冠由8个螺栓联接，下环在安装现场用手工焊接。下环截面上厚下落。为了保证焊后转子尺寸的精确度，预先作了反变形，调整了间隙，并在焊接时对焊接变形进行了监测，其数据如图2—43。从固中可以看出多层焊接阶各层焊缝所引起的横向收缩，以第一层为最九以后逐层递减，到第五层后，每层解后收缩很小。总的收缩变形惭趋稳定。因此厚板焊接的横向变形，基本上由最初几层决定。控制横向变形的关锭在于控制最初儿层。这种现象之所以产久是因为随着层数的增加，刚度亦增加，

每层焊道所引起的核向收缩则随之下降。对于对接接头的横向收缩量的估计，有许多经验公式现选择其一可作参考，

AD＝o．18半

AB——对接接头横向收缩 员(皿皿)9

Fd——焊缝损截面积(mm。)； 5——板厚(mm)。

影响A月的因素很多，谈单的公式不可能考虑所有因索，因此上述公式只能提供一个大致的数值。在生产中如果需要比较精确地估计焊接变形，最好用实验方法来实测。试验时应尽可能采用与实际生产相同的焊接工艺规池并在相同的条件(如尺寸、刚度等)下进行试验。如果核向焊缝在结构上分布不对称，则它的横向收缩也能引起结构的挠曲变形。这种情况也是生产上常见的。例如梁上的短焊缝的横向收缩使梁产生下挽。如果采用长筋执焊缝对称，就可以避免这种挽曲变形。下面是一个由焊缝横向收缩引起构件的挠曲的例子。跳—44中的工字钢上部焊接了许多短筋板，筋板与翼缘之间和筋板与腹板之间的焊缝都在工字钢重心上侧，它们的收缩都格引起构件的下挠。下接的数值可以根据每对角焊缝产生的横向收缩量来估算。每对筋板与翼缘之间的角焊缝的横向收缩dD2特使梁弯曲一个角跃

8：——为翼缘对渠水平中性 铂的静短。

52＝F：(A／2—5?／2) F z一?翼缘的额面积。

好对筋板与阻板之间的角焊缝 的横向收缩AB牌使梁弯曲一个角 51——高度为Al的一部分 腹板对梁截面水乎中 性轴的静矩。 式个 9，9r十rd

『——为筋板的间距。

如果梁的中心有一筋板则它所引起的挠曲可用下式估算这里应该注意的是由于刚度不同，型钢上横向收缩AB，和A52要比腹扳和嚣绦单独在自由状窥时焊接的横向收缩小。

四、角变形

在堆焊、对接、搭接和1‘字接头的焊接时，往往会产生角变形，见团2—45。这种变形发生的根本原因是横向收缩变形在厚度方向上的不均匀分布。焊缝正面的变形九背面的变形小。这样就造成了构件平面的偏转。虽然基本原因相同，但不同的焊缓和接头形式具有不同的特点。

(一)堆焊

在乎板上进行维焊叭堆焊的高温区金属的热膨胀由于受到附近温度较低区金属助阻碍，而受到挤压，产生压缩塑性变形。但是由于焊接面的温度高于背面焊接面产生的压缩平板表而火炮加热的线能量与其角变形的关系曲线翅性变形比背面九有时背面在弯炬的作用下甚至可能产生钦仰变形，故在冷却后乎板产生角变形(见固3—46)。角变形的大小取决于压缩塑性变形的大小和分布情况，同时也取决于板的刚度。压缩塑性交形诺的大小与板宽度上的温度分布有关，高温区越宽，变形且越把压缩理性变形越大。塑性变形在厚度上的分布与温度在厚度上的分布有关。在厚板或采用小线能量焊接时，背面温度不高，塑性变形区的深度只占板厚的一部分，并不达到整个厚度。通过厂述的试验结