本文格式為Word版，下載可任意編輯——4焊接結(jié)構(gòu)的變形與斷裂4.焊接結(jié)構(gòu)的變形與斷裂

鍋爐、壓力容器等結(jié)構(gòu)，在焊接過程中一般都要產(chǎn)生焊接變形。若變形超過允許值，必需進行矯正，但這要花費工時；若變形嚴重或無法矯正，則必需報廢。結(jié)構(gòu)在焊接過程中還產(chǎn)生焊接應(yīng)力，這是一種內(nèi)應(yīng)力，除引起構(gòu)件變形外，還會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生焊接裂紋，甚至導致斷裂。斷裂是不允許的，特別是鍋爐、壓力容器之類焊接結(jié)構(gòu)，在使用中發(fā)生斷裂往往伴有爆炸燃燒等，危害極大。因此，對于焊接結(jié)構(gòu)的變形和斷裂必需正視和研究。

4．1焊接結(jié)構(gòu)的變形

焊接是個局部加熱和冷卻過程。焊接接頭要經(jīng)過由常溫→高溫→常溫的熱循環(huán)過程。隨著溫度的升降，焊接接頭局部會發(fā)生膨脹和收縮，而由于溫度的不均，不同部位的膨脹和收縮量也不同，必然會相互制約而產(chǎn)生焊接內(nèi)應(yīng)力，從而引起焊接變形。冷至室溫后保存下來的變形稱為焊接剩余變形。而一般所說的焊接變形，實際就是剩余變形。

4．1．1過程設(shè)備常見焊接變形與規(guī)律

表4-1低碳鋼對接焊縫的近似橫向收縮變形量

就焊接區(qū)域的局部來說，焊接變形只有沿焊縫長度方向的縱向收縮和沿垂直焊縫方向

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的橫向收縮兩種形式。其收縮量的大小受材料種類、板厚大小、坡口與接頭型式和焊接方法等多種因素影響，不易定量計算。對于低碳鋼的焊縫收縮變形量，現(xiàn)提供一些試驗近似值：對接焊縫縱向收縮量0.15~0.30mm/m；連續(xù)角焊縫為0.20~0.4mm/m；對接焊縫的橫向收縮量如表4-1所示。

接局部區(qū)的收縮會引起構(gòu)件的局部變形或整體變形，而這種大的宏觀焊接變形的規(guī)律和形態(tài)較為繁雜。以下是過程設(shè)備中常見的焊接變形。

①縱向收縮引起的構(gòu)件縱向彎曲變形。

這種變形多發(fā)生于修長件的焊接，是由非對稱的沿軸向長度方向焊縫的縱向收縮引起，其彎曲凹面位于焊縫一側(cè)。典型的如小直徑薄壁卷焊圓筒，有時會出現(xiàn)圖4-1所示的縱向彎曲變形。

圖4-1焊縫縱向收縮引起的縱向彎曲變形4-2人孔焊接引起修長塔殼的縱向彎曲變形。

②橫縱向收縮引起的構(gòu)件縱向彎曲變形

在修長構(gòu)件上，若沿長度方向一側(cè)的焊縫較多，由于這些焊縫的橫向和縱向收縮是沿構(gòu)件長度方向的，則眾多焊縫的收縮綜合作用，往往使整個構(gòu)件產(chǎn)生明顯的縱向彎曲變形。而且一般狀況下，焊縫橫向收縮引起的彎曲變形率約為同樣長度的焊縫縱向收縮所引起的彎曲變形率的1~3倍?？梢姾缚p的橫向收縮危害更大。圖4-2是上世紀60年代初我國某廠制造的一臺分餾塔殼體的縱向彎曲變形。其殼體一側(cè)人孔較多，當時由于制造經(jīng)驗不足，當全部人孔焊接完成后，結(jié)果整個殼體沿縱向產(chǎn)生了超標整體彎曲變形，最終因無法校正導致大返工。鍋爐集箱也是典型的橫縱向收縮引起縱向彎曲變形的焊接結(jié)構(gòu)。集箱主體尋常是直經(jīng)較大的管子，其一側(cè)焊有眾多小直徑管接頭，若不采取相應(yīng)措施，由于它們間連接焊縫的橫縱向收縮，集箱主管就產(chǎn)生顯著的縱向彎曲變形，如圖4-3上所示。上述二例的縱向變曲變形，實際是由角焊縫的橫向收縮和縱向收縮共同作用的結(jié)果，但橫向收縮作用遠大于縱向收縮作用，故可簡單地稱其為橫向收縮引起的整體縱向彎曲變形。

③橫向收縮引起的角變形或撓曲變形

當焊縫的橫向收縮變形量沿厚度方向不均時，接頭就會產(chǎn)生角變形，其變形角總是在焊縫金屬多的一面。一般來說，坡口大角變形就大，特別在坡口不對稱時。在板厚和坡口形式一致時，多層焊較單層焊角變形大，多道焊較多層焊角變形大。材料或焊接方法不同，角變形也不同。如圖4-4所示。搭接接頭和丁字接頭同樣也會產(chǎn)生角變形。

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圖4-3鍋爐集箱的縱向彎曲變形

上—鍋爐集箱管焊后變形下—集箱反變形轉(zhuǎn)胎

手工電弧焊八層角變形7手工電弧焊22道角變形13鋼墊板上埋弧焊角變形5

圖4-4低碳鋼對接焊縫角變形

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過程設(shè)備殼體上的對接縱焊縫，隨其坡口形式不同，會產(chǎn)生外凸或外凹的角變形。如圖4-5所示為外凹角變形，為此焊后必需進行校圓。各種殼體上焊有接納時，其與殼體連接的角焊縫也會產(chǎn)生不同程度的角變形。如管殼式換熱器圓筒殼上的進出口接納角焊縫，角變形嚴重時會使接納連接處的筒殼部明顯顯下凹，如不校正，會使管束的裝配變得困難甚至不可能，如圖4-5b所示。平焊法蘭，當焊腳尺寸過大或施焊工藝不當時，亦會產(chǎn)生較大角變形，如圖4-5c所示。

除上述典型變形外，某些過程設(shè)備，如油罐罐底和焊制塔盤板等，由于其壁相對較薄和焊接壓應(yīng)力的作用會失穩(wěn)而產(chǎn)生波浪變形。此種變形多見于焊縫較多的薄板結(jié)構(gòu)。當構(gòu)件厚度足夠大時，由于本身的剛性很大，也不會有明顯的焊接變形產(chǎn)生。

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圖4—5不同結(jié)構(gòu)的角變形

a—薄壁圓筒縱縫外坡角變形b—薄殼接納處角變形c—法蘭單面焊角變形

4．1．2焊接變形的危害與控制

焊接變形不僅影響構(gòu)件形狀和尺寸精度，而且也降低構(gòu)件的可靠性。例如圓筒內(nèi)壓容器的縱焊縫若存在較大的角變形，將引起較大的局部附加彎曲應(yīng)力，易導致斷裂事故發(fā)生；外壓容器在形狀偏差大時將明顯降低其臨界壓力，易導致失穩(wěn)破壞。為此，對焊接變形必需控制在有關(guān)標準限制范圍以內(nèi)。其控制途徑一般是從防止、減小和消除三方面入手。對于大型或繁雜結(jié)構(gòu)，焊接變形不易校正，故應(yīng)立足于防止和減小。這就要首先把握焊接變形的影響因素和規(guī)律，這方面實踐經(jīng)驗知識也很重要。與焊接剩余應(yīng)力的控制一樣，焊接變形也必需由結(jié)構(gòu)設(shè)計和焊接工藝兩方面進行控制。

（1）合理設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)

若焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計恰當合理，將比在工藝上采取措施更為有利。

①焊縫尺寸大，不但焊接工作量大，且焊接變形變大。故應(yīng)在保證承載條件下盡量采用小的焊縫尺寸，盡可能減少焊制另部件和焊縫數(shù)量。

②不少整體縱向彎曲焊接變形是由焊縫布置不對稱引起的，故應(yīng)盡可能采用對稱設(shè)計原則配置焊接附件和焊縫，使其變形相互抵消和減小。如圖4-2中的修長塔殼，若僅從減小焊接變形來說，將人孔180°對稱配置就不會產(chǎn)生過大的縱向彎曲變形。在板厚較大時，采用X形等對稱坡口較V型非對稱坡口有利于減小焊接變形。

（2）采取適當?shù)墓に嚧胧?/p>

①正確地選擇焊接方法和焊接規(guī)范線能量較低的焊接方法有利于減小焊接變形，如CO2氣保焊較手工電孤焊變形小，手工電孤焊比氣焊變形小。薄壁件焊接易變形，各種氣體保護焊均有利于減小焊接變形。

②反變形法這是生產(chǎn)中最常用的方法，焊前估計好構(gòu)件變形的大小和方向，焊前使其反向變形，焊時產(chǎn)生的變形與反向變形相抵消。例如圖4-3下所示鍋爐集箱的縱向變曲變形和圖4-6殼體上接納處的角變形，均為采用反變形法焊接的例子。

③剛性固定法構(gòu)件剛性大時，焊接變形就小。為此可以用專門的夾持裝配工藝或構(gòu)

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件本身的剛性相互制約來減小變形。如焊制法蘭的角變形，可以采用圖4-7的方法，防止法蘭環(huán)產(chǎn)生角變形。但必需注意，此法僅適用于低碳鋼之類焊接性良好的材料。由于構(gòu)件剛性增加，焊接應(yīng)力也會增加，這對易淬鋼和裂紋敏感性大的材料是不利的，故此類材料一般不宜采用剛性固定法。

圖4—6反變形法焊接接納圖4—7剛性固定法焊接法蘭

還有一種半軟剛性約束法。該方法是在焊縫長度裝置間隙片和夾具，然后填充一定直徑的圓鋼進行點固焊。尋常，在焊接無圓鋼一側(cè)底焊縫后，或連焊兩層后，再拆除圓鋼并清根，然后分別焊兩側(cè)焊縫。用該法控制角變形較理想，焊后剩余應(yīng)力小，耗用輔助材料適中，輔助焊道也少，適用于各種容器的焊接，在大型球罐的焊接中也得到應(yīng)用。

圖4—8半軟剛性約束法防角變形

④正確地確定裝配焊接次序裝配焊接次序不當，可能產(chǎn)生很大的焊接變形，甚至無法校正而報廢。如圖4-9是一個直徑1.6米的固定管板式換熱器殼體，在靠近管板端部焊有一個直徑接近殼體半徑的大直徑接納。最初是先將圓筒殼與一端管板焊接后，再在殼體上開孔并焊接接納。結(jié)果焊后圓筒殼產(chǎn)生了顯著變形，圓筒與管板嚴重不垂直，且無法校正而導致大返工。后改為將接納先與圓筒殼焊完并校正好后再將圓筒殼與管板焊接，從而避免了上述大變形的發(fā)生。當然這并非是防止其大變形的唯一方法，采取其它適當措施也會收到同樣防止變形的效果。

關(guān)于施焊順序，有同一條焊縫的焊接和不同焊縫間的焊接兩種狀況。對于同一條焊縫，要注意后焊時剛度增大的不對稱性。如圖4-10所示對稱坡口焊