焊接结构教学笔记-哈工大

2．刚性固定法

这个方法是在没有反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接变形。用这种方法来预防构件的挠曲变形，只能在一定程度上减小这种变形，效果远不及反变形。但是利用这种方法来防止角变形和波浪变形，还是比较好的。例如在焊接法兰盘时，采用刚性固定法，可以有效地减少法兰盎的角变形，使法兰盘面保持乎直。固定还采用了翻转架，对焊接更为方便。采用上述方法进行反变形有困难时，可以把梁的的方法可以采用直接点固，或紧压在乎图2—f5 田性固定法焊接法兰投合上，或者两个法兰盘背对背地固定起来。见图2—75I在焊接薄板时，在焊缝两例用夹具紧压固定，见图2—76，可以防止波浪变形，置应该尽量接近焊缝。压力必须均匀，其大小应该随板厚的增加而增加。总压力i估算：

式中 6——板厚， L——板长， ，．——材料的屈服极限。

保持较高的均匀压力，一方面可以防止土件的移动，另一方面可以伎夹具均匀可靠地导热．限制工件的高温区宽度p从而降低焊后的变形。为了使压力均匀可以招压条做成带挠度的，见图2—76，或者采用琴银式多点加压夹具。当路板面积较大时，可以来用压铁，分别放在焊缝两侧，见图2—77，这种方法在船厂比较普遍采用。也可在焊缝两例点固角钢，见因2—78。

3．合理地选挥焊接方法和规范 选用线能量较低的焊接方法，可以有效地防止焊接变形。例如采用co：半自动焊来代替气焊和手工电孤焊，不但效串高，而且可以减少薄板结构的变形。在车辆生产中已广泛应用。真空电子束焊的焊缝很窄，变形极小，可以用来焊接精度要求高的机械加工件，在精加工后直接进的焊接，图2—79为在焊接前经过切削、淬火焊绝不对称的细长构件有时可以通过选挠曲变形。例如图2—80中的构件，其焊缝不3、4到中性轴的距离6I．‘。如果采用相同9将大于焊缝3、4，两者不能抵消。焊后出现用小线能量，则完全有可能使上下挠曲变形抵消，焊后得到乎直的构件。如果在焊接时，没有条件采用线能量较小的焊接方法，又不能进一步降低规范，则可采用直接水冷(困2—81)，或采用钢冷却块(图2—82)来限制和缩小焊接热场的分布，达到减小变形的目的。这里应该注意的是，对焊接淬硕性较高的材料应该用。

4．选择合理的装配焊接顺序

固2—82 采用钢冷却块防止薄板焊接变形 团2—83 带盖扳的双槽钢焊接梁实例两个例子来说明装配焊接顺序对焊接构件变形的影响。

例1 如图2—B3所示的焊接梁，是由两根槽钢、若干隔板和盖板组成。槽钢与盖板间用消缝l来连接，隔扳与盖板及槽钢间分别用角焊缝2和3来连接。这个构件可用三种不同装配焊接顺序进行生产。

第一方案 先把隔板与槽钢装配在一起，然后焊接角焊缝3，由于焊缝3的大部分在榴中性轴以下，焊续的横向收缩产生上挽度／。再将盖板与梢纲加隔扳装配起来，焊接焊缝，由于焊缝l位于构件断面中性轴以下，焊缝1的纵向收缩引起上挠度／J。最后焊接焊缝，由于焊经2也是位于断面中性抽之下，焊绽2的横向收缩引起上挠皮／M最终产生上挽形，其数值为(J14／24／8)。

第二方案 先将槽钢与益板装配在一起，焊接焊绕1，由于焊缝l在构件断面中性轴以它的纵向收缩引起构件产生上挽度／h再装配隔板，焊接焊缝2，焊经2的横向收缩引上挠度／h最后焊接焊缝3，此时由于幅铜与盖扳已形成

一个整体，其中性铀从槽钢本身冲心向下移，使焊缝3之大部分处于中性铀以上，因此焊缝3的横向收缩引起构件下挽，激值为／；。焊后构件的最终挠度为(J54／z—／5)。

第三方案 先将阴板与盖板装配起来，焊接焊缝2。盖板在自由状态烬接，只能产生描收缩和角变形。若采用压板将盖板紧压在乎台上，角变形是可以控制的。此时由于盖板汉幅钢连接，因此它的收缩并不引起挠度，即／s＝o。在此基础上装配槽钥，焊接焊续艇上挠度／：。再装配阀板焊接焊缝3，引起下挠度J2。构件的最终挠度为(J‘—J5)。把上面三个方案作比场可以清楚地看出不同的装配焊接顺序，得出完全不同的结果。卜方案的挽曲变形最大，第三方案最小，第二方案介于两者之间。第三方案之所以挽曲变温小，关镀在于招焊缝3的焊接按排在盖扳与槽钢焊接之前，这样就便焊缝2可以自由收而它的横向收缩力不致加到已具有较大刚度的柏钢和盖板的组合体上去。其次招焊续接安排在梢钢与盖板组成一个整体之后，因为柏钢和盖板组合体的断面中性铀下移，使缝的中心和断面中性轴的相对位置起了转化，由第一方案在中性轴以下，转化到中性以上，结果产生与焊缝15la的挠度方向相反的下挠度，这样就进一步减少了变形。

田2 大型贮油罐由箱底、罐壁与顶盖组成。耀底系由许多钢板拼焊而成，它与罐壁之间南双面角焊缝连接，见图2—84。因为此处受力较大，所用角焊缝的焊脚尺寸也较大，焊后产生较大的收缩力，如果不采取适当的装配焊接顺序，4略易使蹈底产生失稳变形，使之离开地基向上拱起高达几百毫米。解决这个问题的关贸在于使罐壁与腮底间环焊缝的收缩不牵连到罐底的主体，使它能够比较自由地收缩。根据这个原则，把晒底的钢板分成两个部分，第一部分是和罐壁直接连接的达板。第二部分是不与罐壁连接的中部板。先把中部板焊成一体(图2—85)，焊接的顺序是从中心向两端先焊接短焊缝，使钢板联成长条哲不与边板焊接)。然后再焊接长条间的焊缝，次序也是由中心向外侧焊接。焊完这一部分后，先把边板与罐壁接触部分的焊缝焊好(固2—85之J部)。再焊罐壁与边板之间的环焊继。然后焊边板之间余下的焊缝。最后焊接边板与中部板之间的焊组见图2—86。

从上面的两个例子可以看出，把结构适当地分成儿个部件，分别加以装配焊接，然后再将这些焊好的部件拼焊成一个整体，可以使那些不对称的或收缩力较大的焊继能自由地收缩，而不影响整体结构，从而控制结构的焊接变形。按照这个原则，在装配焊接比较复杂的结构时，可把它分成几个简单的部件，分别装焊，然后再进行总装焊接。这不但有利于控制焊接变形，而且由于作业面扩大，也为缩短生产用期，提高生产串创造了良好的条件。在造船业中，分段造船法(图2—87)和车辆制造业中分部件制造车辆底架氓就是具体的例子。 九、矫正变形的方法

矫正的方法可分为两类。

(一)机械矫正法:利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变败压机构来矫正工字形梁的捍接变形的例子。除了采用压力机外，还可用锤击法来延展焊缝及其周围压缩塑性交形区域的金属，达到消除焊接变形的目的。这种方法比较简单，经常用来历正不太厚的板结抵劳动强度九表面质量不好，是锤击法的缺点。当薄板结构的焊继比较规则时(例如直焊缠或圆周焊缠)，采用辗压法消除焊接变形效率高，质量好，具有很大的优越性。这个方法是利用囚盘形辐轮来辗压焊缝及其两侧，使之伸长来达到消除变形的目的，见酐辗压力尸

可近似地按下式选定

服极限；

被铝压材料的弹性模量， d—一—报压轮直径； c一一辗压轮的工作宽度5 (二)火焰加热矫正法

本法是利用火焰局部加热时产生压缩塑性变形，使校长的金因在冷却后收缩，来达到矫正变形的目的。火焰加热法采用一般的气焊焊亿不需要专门的设备，方法简便，比较机动，可以在船舶等巨型结构上进行矫正，因此在生产上广为应用。火焰矫正的效果好汛关健在于正确地选择加热位置和加热范围。下面举几个例子来说明，

例1 图2叫o。中非对称的n形钢的劳弯，可以来用在上下盖板的外弯侧加热三角形面积的办法来矫正。非对称工字钢的上挠变形(图2—90 6)，可在上盖板上加热矩形面积和杠胶板上部加热三角形面积来矫正。丁字形接头的角变形可以采取在翼板背面加热；(团2—90c)。

例2 图2—91中薄板的失稳变形，常常采用点状加热来矫正，加热点分布在产酌部位。加热薄板时，L13于火馅的加热范围相对地比较九容易使薄板进一步向外拱(图2—92。)，从而降低对加热点金属的压缩作用。在这种情况下，利用外力来限制薄板的外拱，对增强金届的压缩作用有利。采用多孔板压住工件，然后通过小孔对工件加热，可以提高矫形的效率(图2—926)。也可以在进行加热酌同时，在加热点周围喷水冷却来限制火焰加热的范围提高对加热点的挤压作用，见图2—93。但使用上述方法对具有淬硕倾向的钢材要慎重。火焰局部加热不但可以用来矫正变瓜使构件乎宣，也可以反过来利用它来把乎直的钢板弯曲成各种曲面，这种方法在生产上称为水火弯板或火焰成形，用这种方法成形各种曲面[图2—94)，具有设备简单，生产率瓦成本低质量好的优点，已在国内外许多船厂推广[123。 图2—91 薄板结构点状火焰矫形

火焰成形基本上采用线状加热按照工艺方法的不同可分为三种 (1)不用水冷的火焰加热成形简称空冷，

(2)采用正面跟踪水冷的火焰加热成形简称正冷， (3)采用背面跟踪水冷的火焰加热成形简称背冷， 三种线状加热方法具有不问的特点：

52—3 焊接残余应力

前而已经讨论过内应力的一舶概念，以及焊接应力的产生过程。本节格讨论焊接后残；在结构中的应力(即焊接残余应力)的分布情况，它的影响以及消除和降低焊接残余应力措施。讨论时将以低碳钢和低合金钢等材料制成的结构中的焊接残余应力为典型。

一、焊接残余应力的分布

在厚度不大(6＜15—20 m m)的常规焊接结构中，残余应力基本上是双轴的，厚度：向上的应力很小。只有：征大厚度的焊接结构中，厚度方向的应力才比较大。为了便于分抓我们把焊缝方向的应力称为纵向应力，用人表示。垂直于焊缝方向的应力称为横向应力，用gJ来表示。厚度方向的应力，用。．来表示。下面分别加以讨论。

(—)纵向应力

在低碳钢结构中，焊缝及其附近区域中的纵向应力是拉应力，数值一般

达到材料的屈极限。这点在前面已经分析过，分析的对象是长板条和纫长构仇现在进一步研究ol沿：条焊缝上的分布。图2—97为中心有一条焊缝的长板条，在板条中段。，的分布情况是和前的分析一致的，但在长板条的四端，俏况就不相同。因为端面o—o是自由边界，在它的面没有应力，久；o。紧靠端面再取几个截面I—I和H—D，其内应力的分布也不同于，段，焊缝上的。小于。随着截面离开端面的距离肋增加，。：逐渐趋近于久值，团中用直于板条平面的距离来表示焊缝上久的大小。在板条的端部存在一个内应力的过渡区，这个过渡区域里，久比较低，越接近端面。x越低。到端面处儿；o。在板条的中段有内应力的稳定区。但当板条比较短时，就不存在稳定区，焊缝上的纵向应力儿小于条越短，久就越低。图2—98是不同焊缝长度(板条长度)时，焊维上ot的分布箔况。继长度与焊缝中久的数值见图2—99。随着铝和铣的广泛应用，对这些金属的焊接接头中的八分布情况， 因2—的 不同焊缝长度。，位的变化 图2—100 因简环焊缝的纵向残余应力分布试验研究。试验结果表明，虽然应力分布总的规律和低碳钢相似，但钻材焊缝中的纵向庇力放慨一般仅为o．5一o．8。．(母材的屈服极限)。铝材焊缝中的ox亦较低，仅为o．6造成这种情况的原因，对铣来说，则与它的膨胀系数和弹性模数较低有关，两者的乘积e仅为低碳钢的1／3左右。对铝来说，可能是由于它的导热系数较高的原因，使热场的等温线接近于正圆形，与沿焊缝同时加热的模型相差悬殊，因而乎截面变形假设与实际出入较大。在焊接过程中材料受热膨胀，实际上受到的限制比平额面假设时要小，因此压缩塑性交形降低，残余应力因而降低。团筒上环形焊续引起的纵向应力(对圆筒来讲就是切向应力)的分布书平极不同。试验证明，当圆简直径与厚度之比较大时，。：的分布和平扳上的恬况相似，见图2—l oo。对低陨钢来说久达到。．，但当直径比较小时，oI就有历降低。例如直径D为1200mM，厚度为6mm的低碳钢圆筒环焊缝构tJ人为2loN／mmz，而直径为384mm，同样厚度的圆筒环焊缝中的，：为115N／mm z。理论分析结果表明，由于圆筒环焊缝的半径在焊后缩八焊缝在长度上的收绍比平板上的焊绝具有更大约自由度。因此纵向应力比干的半径R、壁厚5以及塑性变形区的宽度6P。后者与焊接线能量和材质有关。当壁厚不变，e：随着及的减小而降低，随着5P的咸小而增加(图2—101)。 (三)横向应力oy

垂直于焊缝的横向应力07的组成部分，其中一个是由于焊缝及此其附近的塑性变形区的纵向收缩所引起的，用oi表示之；另一个是由焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩的不同时性所引起的，用02来表示之。团2—102。是一个由两块平板条对接起来的构件，其纵向应力入的分布是焊缝及其附近的塑性变形区为捡应力，丙钡0为压应力。光分析如果沿焊缝中心将构件一分为二，则两块板条都相当于一侧有一条焊缝，它们将分别向外侧弯曲，如图2—l025。必须在两端部分加上压力，中心部分加上拉力，才能使两板条恢复到原来的位置。可以推断，焊缝上必然存在着两端部分为压应力，中心部分为拉应力的横向内应力oj(图2—l 026、。)。压应力的最大值比拉应力大得多。焊缝长度对oj的影响见团2—103。由图中可以看出，对长焊缝来队中心部分的拉应力将有所降低逐渐趋近于氰现在来分析横向应力的另一个组成部分02。由于焊缝不是同时完成的，各部分有先焊和后脖之分。先焊的部分先冷却，后焊的部分后冷却。先冷却的部分只限制后冷却部分的横向收缩，这种限制和反限制就构成了横向05。可见02的分布与焊接方向、分段方法以及焊接顺序有关。例如