焊接残余变形预防和控制(周尚谕)[小编推荐]

第一篇：焊接残余变形预防和控制(周尚谕)[小编推荐]

焊接残余变形的预防和控制

周尚谕

（华东交通大学

材料加工工程，江西 南昌 330013）

摘要：焊接残余变形可以从设计和工艺两个方面来解决。而设计上如果考虑的比较周到，注意减少焊接变形，往往比单独从工艺上来解决问题要方便的多。相反，如果设计考虑不周，则往往会给生产带来许多额外的工序，大大延长生产周期，提高产品的成本。因此，我们应该充分了解内应力产生的原因和形成变形的基本规律，以控制或减小焊接应力和变形的危害。

关键词：焊接；残余变形；焊接结构；预防；控制

The prevention and the control welds the

remaining distortion

ZHOU Shang-yu(East China jiaotong university，jiangxi nanchang 330013）

Abstract：Welds the remaining distortion to be possible solves from the design and the craft two aspects.But designs, if considers to be quite thorough, the attention reduction welding deformation, often compared to alone solves many which from the craft the question must facilitate.On the contrary, if design consideration not week, will then often bring many extra working procedures to the production, will lengthen the production cycle greatly, will enhance the product the cost.Therefore, we should understand fully the internal stress produces the reason and forms the distortion the basic rule, controls or reduces the welding stress and the distortion harm.Key word：Welding;Remaining distortion;Welding structure;Prevention;Control 1 引言

焊接技术在工业中的应用的历史并不长，但它的发展却是非常迅速的。短短的几十年中，焊接已在许多工业部门的金属结构中，如建筑钢结构，船体，铁道车辆，压力容器中几乎全部取代了铆接。不仅如此，在机械制造领域，过去的整铸整缎方法生产的大型毛坯改成了焊接结构，大大简化了生产工艺，降低了成本[1]。然而，焊接结构不可避免的会产生很多的缺陷，其中，焊接残余变形是焊接结构不可避免的缺点之一，它的存在造成了焊接结构形状变异、尺寸精度下降和承载能力降低，并在工作载荷作用下引起附加弯矩应力和应力集中，是造成焊接结构早期失效的主要原因，也是造成焊接接头疲劳强度下降的原因之一。人们采取了许多工艺方法来预防和控制焊接残余变形[2-4]，如，反变形方法、刚性固定法、合理选择焊接顺序、限制焊接线能量等，也经常采用理论计算来评估焊接变形叫，这为改善焊接结构的质量提供了保障。2 预防焊接结构变形的措施

2.1设计措施

预防焊接变形的措施：结构设计(1)合理的选择缝尺寸和形式

a)对于板厚的对接接头：多采用X型焊缝；厚度更大的采用U型、双U型、窄间隙深坡口焊缝。

b)保证承载能力的情况下，尽可能减少焊缝，但也不要太小，太小的焊缝，冷却速度过大，容易产生一系列焊接缺陷。

c)对于受力较大的T/十字型接头，在保证相同强度条件下，采用开坡口的焊缝可以比一般焊缝减少焊缝金属。

d)当计算确定T型接头焊缝时，采用双面角焊缝代替单面角焊缝。e)设计的结构尽可能使R多数焊缝可以自动焊，薄板焊用CO2气体保护焊代替手工焊或气焊，用接触点焊代替熔化焊。

(2)尽量减少不必要的焊缝。

(3)合理的安排焊缝的位置，安排焊缝尽可能对称于截面中性轴。a)焊缝接近断面中性轴，可以减小焊缝所引起的挠曲。b)由于横向收缩量通常要比纵向收缩量明显，应取焊缝布置于平行于最小变形方向。

c)夹具尽可能不影响薄板因焊缝而失稳。d)夹具不影响焊后结构尺寸。2.2工艺措施(1)反变形法

这是生产中最常用的方法。为了抵消焊接残余变形，焊前预先使焊件向焊接变形相反的方向变形。V形坡口对接焊中，均采用了反变形法来控制焊后的残余角变形，例如工字梁焊后产生的角变形，可在焊前预先将翼板制成反变形，然后焊接以抵消焊后变形。

(2)刚性固定法

这种情况是在没有反变形的情况下，焊前对焊件采取外加刚性约束，使焊件在焊接时不能自由变形。例如把薄板焊件固定在平台上，然后再焊接就能很好的控制焊接变形。

(3)选择合理的装配焊接顺序

采用不同的装配和焊接顺序，会产生不同的变形效果。如工字梁的焊接，采用两种不同的装焊顺序，产生的变形效果不同。如果先焊接成丁字形，然后再装配另一块翼板。在焊接丁字形结构时，由于焊缝分布在中性轴的下方，焊后将产生较大的上拱弯曲变形，即使另一块翼板焊后会产生的反向弯曲变形，也难以抵消原来产生的变形，最后工字梁将形成上拱弯曲变形。第二种先整体装配成工字梁，然后再进行焊接，此时梁的刚性增加，再采用对称、分段的焊接顺序，焊后上拱弯曲变形就小得多。这是先总装后焊接的控制结构焊后变形的工艺措施[5]。

对于不能一次总装成型的焊接结构，采用分步总装，逐步克服[6]。同样能起到适当控制结构的残余变形。如制作一个中间带有若干个隔板的箱形封闭式梁，在总装工艺中不能一次成型，只有分两步走：先制成一个“”形梁, 然后再在上方盖上盖板, 即形成一个“口”形的箱梁。在第一步总装过程中, 采取合理的焊接方向和焊接顺序等方法, 以求最大限度地减少结构的弯曲变形。这样, 到工艺结束, 工件的残余变形仍然很小, 一般不需再处理就能达到结构要求。

(4)合理选择焊接方法和规范

1)对称焊接。如果焊接结构的焊缝是对称布置的，应该采用对称焊接。这时应注意焊接顺序，采用分段、跳焊的对称焊接，通过先后焊缝的熔敷量来控制变形量，效果很好。

2)不对称焊缝。如果焊接结构的焊缝是不对称布置的，采用先焊焊缝少的一侧，使后焊的焊缝产生的变形足以抵消先前的变形，以使总的变形减小。

3)采用不同的焊接顺序。结构中若是长焊缝，采用连续的直通焊，将会造成较大的变形，在实践中常采用分段退焊法、分中段退焊法、跳焊法和交替焊法不同的焊接顺序来控制变形[5]。

同时保证选用线能量低的焊接方法。(5)散热法

用强迫冷却的方法将焊接区的热量带走，使受热面积大为减少，从而达到减小变形的目的。应该注意，散热法不适应谇硬倾向大材料。3 矫正焊接变形的方法

(1)机械矫正法

利用外力使构件产生与焊接变向相反的塑性变形，使两者相互抵消。例如用加压机构来矫正工字型梁的焊接变形。

(2)利用机械拉伸法来消除焊接残余应力

产生焊接残余应力的根本原因是焊件焊后产生了压缩残余塑性变形。因此，焊后对焊件进行加载拉伸，产生拉伸塑性变形，它的方向和压缩残余变形相反，结果使压缩残余变形小，因而焊件中的焊接残余应力亦随之同步减小。

机械拉伸消除应力法对于一些焊后需要进行液压试验的焊接容器特别有意义，因为液压试验时容器所承受的试验压力均大于容器的工作压力，例如钢制压力容器其试验压力为容器工作压力的1.25 倍，所以容器在进行液压试验的同时，对容器材料进行了一次相当于机械拉伸的膨胀，从而通过液压试验，消除了部分焊接残余应力。

(3)利用锤击焊缝区来控制焊接残余变形

焊接残余应力产生的根本原因是由于焊缝在冷却过程中的纵向收缩和横向收缩，因此焊后利用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属展开，能有效减少焊接残余应力，利用锤击法可使应力减少1/2～1/4。进行锤击焊缝时，焊件温度应当维持在100 ℃～150 ℃之间或在400 ℃以上，避免在200 ℃～350 ℃之间进行，因为此时金属正处于蓝脆性阶段，若锤击焊缝容易造成断裂[7]。

多层焊时，除第一层和最后一层焊缝外，每层都要锤击。第一层不锤击是为了避免产生根部裂纹，最后一层焊缝通常焊得很薄，主要是为了消除由于锤击而引起的冷作硬化。

(4)利用火焰法控制焊接残余变形

利用火焰对焊件进行局部加热时产生的塑性变形, 使较长的金属在冷却后收缩, 以达到矫正变形的目的称为火焰加热矫正法。火焰加热矫正法矫正焊件残余变形时要注意以下事项[7]：

①加热用火焰通常采用氧乙炔焰，火焰性质为中性焰，如果要求加热深度小时，可采用氧化焰。

②对于低碳钢和低合金结构钢，加热温度为600 ℃～800 ℃，此时焊件呈樱红色。

③火焰加热的方式有点状、线状和三角形三种，其中三角形加热适用于厚度大、刚性强的焊件。

④加热部分应该是焊件变形的突出处，不能是凹处，否则变形将越矫越严重。⑤矫正薄板结构的变形时，为了提高矫正效果，可以在火焰加热的同时用水急冷，这种方法称为水火矫正法。对于厚度较大而又比较重要的构件或者淬硬倾向较大的钢材，不可采用水火矫正法。

⑥夏天室外矫正，应考虑到日照的影响。因为中午清晨的加热效果往往不样。⑦薄板变形的矫正过程中，可同时使用木锤进行锤击，以加速矫正效果。火焰成形基本上采用线状加热，按照按照工艺方法的不同可分为三种：(1)不用水冷的火焰加热，简称空冷。(2)采用正面跟踪水冷的火焰加热法，简称正冷。(3)采用背面跟踪水冷的火焰加热法，简称背冷。

三种线状加热方法具有不同的特点：(1)角变形效果以背冷最大，空冷次之，正冷最小。(2)横向收缩效果一背冷最大，正冷次之，空冷最小。4发展趋势

随着技术和工艺的进一步发展，现在我们又提出了许多更进一步的能够减少和改善残余变形的工艺方法。这些工艺以及一些还未提出的工艺的宗旨都是为了尽量降低焊接残余变形以及对不引起残余变形的追求。以尽可能简明的设计，尽可能少的工艺，尽可能短的焊接焊缝，更加自动化、智能化的操作，减少焊接对于工件变形的影响。

下面介绍几种新的调整和控制焊接残余变形的方法。

预拉伸法[8]：这种方法是机械拉伸法的扩展。在平板对接焊之前，在焊缝两侧对平板施加一个与焊接方向平行的拉伸载荷，使平板在受载的情况下进行焊接。这种方法由于预先施加拉伸载荷，在焊接热输入的作用下，焊缝附近的材料较早处于屈服状态，使平板焊缝在塑形状态下被拉伸延展，因此可以抑制平板的纵向收缩变形。并且焊后去除拉伸载荷，平板内的纵向残余应力可以降低，其降低幅度与与拉伸载荷相当。

焊时温差拉伸：这种方法是焊后温差拉伸法的扩展。平板对接焊时，采用专门的工装夹具，在焊缝下方放置一个空腔内通以冷却水的铜垫板，在焊缝两侧用电加热带加热，这样就会在焊缝附近造成一个马鞍形的温度场。在这种条件下进行焊接，马鞍形温度场的高温区(焊缝两侧)膨胀，会对温度相对较低的焊缝区施加拉伸作用，使焊缝的纵向收缩得到抑制，因此可以降低残余应力和减小变形。

随焊激冷法：又称为逆焊接加热法，是利用与焊接加热过程相反的方法，采用冷却介质使焊接区获得比相邻区域(母材)更低的负温度，在冷却过程中，焊接区由于受到周围金属的拉伸而产生伸张塑性变形，从而抵消焊接过程中形成的压缩塑性变相，达到消除残余应力的目的。5结语

焊接技术的发展随着技术的革新，会越来越先进，国外的同行在机械制造业确实要相对国内发展的更加精细，我们要学会“拿来主义”，同国外同行多交流，尽量减少自己走弯路的可能，同时要在借鉴的基础之上，发展和创新。相信中国的焊接技术会逐步的走向世界先进行列乃至领先世界同行业。参考文献

[1]田锡唐.焊接结构[M].北京:机械工业出版社,1982.1-2.[2]奥凯尔勃洛姆.焊接应力与变形[M].雷原译.北京:中国工业出版社, 1958.30-78.[3]田锡唐.焊接结构[M].北京:机械工业出版社,1982.5-18.[4]霍立兴.焊接结构工程强度[M].北京:机械工业出版社,1995.26-36.[5]沙慧丽.防止和减少焊接残余变形与应力的措施[J].职业.山东济宁技术学院,2009,(5).[6]吴居登,施建章.从装焊顺序入手来控制焊接残余变形的方法和应用[J].中国修船,2001,(6).[7]使用火焰法、机械拉伸法、锤击焊缝区来控制焊接残余变形[J].电焊机, 2008,(02)

[8]方洪渊.焊接结构学[M].北京:机械工业出版社,2008.121-122.

第二篇：如何控制焊接变形

大型复杂结构件焊接工艺措施

随着焊接技术的发展，尤其是焊接设备的更新换代，焊接辅材的丰富，焊接母材含碳量的有效控制，合金元素的增多，材料强度级别大幅的提高，使许多低合金高强度钢的可焊性越来越好，大型复杂结构件的制作难度大幅降低，从而为大型结构件的设计，通过合适的焊接工艺措施，把设计模型变为实物而成为现实。

对于大型结构件制作来说，最常见的就是两大问题：一是焊接变形；二是焊接裂纹。下面从焊接工艺方面说明如何解决上述两大问题。

焊接变形是大型结构件最关键也是最难控制的问题之一，大型结构件一旦产生超出控制量的变形，是很难校正的，不但会造成极大的直接经济损失，同时也极大地影响制作周期，我们通常采取如下工艺措施对变形进行控制：

1.母材（钢板）选用控制：选用大钢厂的材料，因为大钢厂设备先进，注重轧制工艺，热处理工艺规范到位，板材平展，内应力小，既能保证机械性能，也能保证化学成分的稳定。

2.备料变形控制：采用对称备料，减少热量集中引起的热应力变形，控制平弯，侧弯，扭曲变形。对于厚板采用钻孔分段切割，对于由热切割引起的不可避免的变形，则通过机械校平直，为总装作准备。3.装配方式控制：对于超大型结构件，首先应根据整体结构，分析容易产生变形的焊接应力区，对这些应力区通常采取“化整为零”的方法，也就是将整体细化成相对“独立”的小单元，分单元组装，局部施焊，让整体焊接应力产生在小单元中，这些小单元不但能更容易地进行机械或热校平，还能在总装发挥小单元时进行整体变形的有效控制。

4.施焊方式控制：通过分析大型结构件结构特性，确定中性线，制定合理的焊接工序，能用对称焊的采用对称焊。对于截面较大的焊缝，采用多层多道多次填满。对于截面突变的大型结构件，在截面附近的焊缝，要特别注意控制焊接规范，通过控制焊接规范调节工件变形，也就是朝着我们需要控制的方向变，这种方法在横梁类结构件中取得了很好的效果。

5.反变形法控制：在分析基本应力分布情况及主焊缝位置关系后，对厚板件，尤其是锻造导轨件采用反变形的方法效果显著。如：CKX52125X60/400-M13350 横梁的制作就是很成功的例子，横梁总长17630，其截面最大尺寸2000X1300，总重51.7吨，导轨总长17630，导轨截面尺寸240X310，将此导轨沿中心轴线反变形约15mm，总装焊接完成后，经检查，其导轨平直度在8mm以下，完全能够满足加工要求（加工余量为15mm）。

6.焖火控制：最后一道控制变形的方法就是焖火过程中控制，具体方法就是对已经变形打不到加工要求的件，根据变形情况，垫好支点，上部适当位加压，并控制合适的焖火温度，这比较适合截面和长度比较小的结构件。

对于大型结构件来说，裂纹是较易出现的一种焊接缺陷，并且裂纹是一种致命的缺陷，对重型结构件来讲是要严格控制的，产生裂纹通常有几大因素，一是结构件本身具有刚性决定的拘束度（R），二是由化学成分决定的综合指标碳当量（对于一般材料来说主要是碳的含量），三是焊接母材、焊接辅材及环境影响决定焊缝氢的含量，含氢量过大易产生氢致延迟裂纹。

通常来说，重型结构件的R都是比较大的，因此由焊接应力引起的（刚性）裂纹是很大的。为了避免由上述因素引起的裂纹，在实际制作中我们采取了如下控制措施：

1.为了减少氢致延迟裂纹的影响，首先选择优质焊接材料（对于关键焊缝，焊丝与母材化学成分应匹配），并妥善存放，随用随取，开包后不宜放置时间过长，其次焊缝周围去锈要彻底，对于气割坡口，表面氧化物要清理干净等。

2.结构选材一经确定，该件的可焊性就决定了，建议设计时不要选用含碳量较高的材料。

3.对于碳当量较大的母材，采焊前预热、焊后保温，控制工件冷却过快和焊缝位置出现淬硬倾向，控制易裂组织（马氏体）的产生。

重型机床结构件除了从焊接工艺角度控制焊接变形和焊接裂纹除外，设计在考虑满足重型机床结构件强度、刚度和局部硬度的前提下，也应该重点考虑正确选用材料，结构施工空间。

武重铸锻公司金结厂

第三篇：薄板焊接变形产生的原因及控制

薄板焊接变形产生的原因及控制

[摘要]焊接变形产生的根本原因就是焊件在焊接过程中经受了不均匀的加热及冷却，但由于不均匀的温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。由于焊接热源对焊件的作用，在焊接结构中产生的尺寸及形状的变化，从而严重的影响了焊接质量。对薄板焊接变形产生的原因进行了论述，同时介绍了控制变形的工艺措施。

[关键词]薄板焊接 焊接 应力与变形 焊接变形控制措施

一、薄板焊接变形产生的原因及影响因素

薄板产生焊接变形的原因有很多，主要是由于自身的拘束能力不足，刚性小，抵抗弯曲变形的性能降低。薄板焊接变形具有复杂性、多元性，要成功实现薄板焊接变形的控制，必须了解薄板焊接变形质量影响因素。因此，为控制变形应采取附加措施，如点固焊、焊后处理等，另外在焊接过程中对焊接热输入的控制以及所采取的焊接方法都将对薄板变形产生影响，要成功实现薄板焊接变形的控制，首先要了解薄板的焊接变形产生的原因，才能有效的控制焊接变形。

（一）焊接方法对焊接变形的影响

选择焊接方法需要考虑的是生产效率和焊接质量，而焊接方法、焊接工艺和焊接程序显著影响了焊接变形，因此所采用的焊接方法必须具有高的熔敷效率和尽量少的焊道，还必须具有小的热输入。通常用于船体焊接的方法有单面埋弧焊、双面埋弧焊、药芯焊丝电弧焊、惰性气体保护焊、活性气体保护焊等。目前薄板的激光焊拼焊在汽车工业中得到大量应用，用于舰船的激光焊已经开始在国外的某些大型船厂进行试验研究，估计不久的将来会得到实际应用。

（二）点固焊工艺对焊接变形的影响

电弧点焊不仅能保证焊接间隙而且具有一定的抗变形能力，但是要考虑点固焊焊点的数量、尺寸以及焊点间距。对于薄板变形来说，不适当的点固焊工艺有可能在焊接之前就产生相当大的焊接残余应力，对随后的焊接残余应力积累带来影响。点焊尺寸过小，可能导致焊接过程中产生接头开裂使焊接间隙得不到保证，如果过大，可能导致焊道背面未熔透而影响接头的完整性。点固焊的顺序、焊点间距的合理选择也相当重要，其影响结果在许多文献中都有描述。

（三）装配应力及焊接程序的影响

应尽量减少焊接装配过程中引起的应力，如果该应力超过临界变形应力就可能产生变形。

（四）焊接尺寸对焊接残余应力的影响

焊接过程中的局部高温加热和快速冷却在焊缝及近缝区的母材内产生热应变和压缩塑形应变，进而引起内应力，最终导致构件的纵向挠曲变形和角变形等。当接头形式和焊板尺寸、材料一定时，纵向挠曲变形和挠度与总的纵向收缩应力相关，与焊缝金属断面面积成正比。

（五）焊接热输入对薄板焊接变形的影响

焊接热输入对焊接残余应力和变形有很大的影响，所以在保证焊缝成形良好的情况下，尽可能采用小的焊接热输入。从而保证焊接应力和较小的焊接变形。

（六）板厚对焊接变形的影响

随着板厚的减小，抵抗弯曲变形的性能降低，这也是薄板焊接变形控制困难的主要原因。

二、控制变形的工艺措施

（一）焊前控制措施

（1）刚性固定法。采用设计合理的组对焊胎夹具，将焊件固定起来进行焊接，增加其刚性，达到减小焊接变形的目的，保证装配的几何尺寸。当薄板面积较大，焊缝教长时，可采用压铁法，分别放在焊缝两侧来减小焊接变形。

（2）焊接间隙，焊件间隙不能过大，越小越好，最多不超过0.5mm，切割熔渣与剪切毛刺应清理干净，以减少焊接变形。

（3）焊接之前应采用较小直径的焊条（如E4303、直径2.5mm）进行点焊（定位焊），可增加焊件刚性，对减少焊件变形有利。

（二）焊接过程中的控制措施

焊接过程中可以从以下两个方面调整薄板结构的焊接变形。一是减少加热阶段产生的纵向塑性压应变。二是增大冷却阶段的纵向塑性拉应变，在焊接过程中使用相应夹具、强迫冷却焊接区、减少焊接热输入或采用温差拉伸等方法可以减小变形，在一定程度可降低残余应力，但很难做到消除变形或定量控制残余应力水平，因为这些方法未能从根本上解决薄板构建焊接变形的特殊问题――主要是焊接过程中产生失稳变形。

（三）焊后控制措施

采用多点加热的方法矫正薄板焊后的凹凸变形，加热点直径一般不小于15mm。加热时，点与点的距离应随变形量的大小而定，一般在50―100mm之间。根据焊后热处理消除残余应力机制，通过对缝隙试样、板条及板块试样强制变形焊接后再进行热处理，可防止薄板焊接构件的焊后回弹变形，稳定构件尺寸。

三、结论

综上所述，薄板焊接变形与控制具有以下特点：

1.薄板焊接变形具有复杂性、多元性，从而严重影响了焊接质量，是国内外薄板焊接的一个技术难题。

2.要成功实现薄板焊接变形的控制，必须进行薄板焊接变形影响因素的研究及控制焊接变形措施的研究。

3.虽然国内外对薄板焊接变形的预测与控制进行了大量研究，但是由于焊接变形控制的难度比较大，所以许多基础理论及解决办法还未搞清楚，所以有必要继续对这一焊接难题进行研究，为缩短与国外技术的差距奠定基础。

（作者单位：中原油田采油一厂 河南省濮阳市）

第四篇：焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结

焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结

摘要：焊接应力是焊接构件产生裂纹和变形的主要因素，对焊接质量影响较大。因此，理解和掌握焊接残余应力的产生原因及控制方法，就显的非常重要。本文对焊接残余应力的产生对结构的影响、焊接残余应力的预防及焊接残余应力的消除方法，进行了全面的归纳和总结，为学生能更好地理解和掌握焊接残余应力的相关知识，起到了一定的帮助作用

关键词：焊接应力产生原因控制方法 焊件在焊接过程中，由于受到了不均匀的局部加热和冷却，使焊件产生了不均匀的体积膨胀和收缩，导致焊件内部产生了焊接残余应力，而焊接残余应力又是产生裂纹和变形的主要因素。因此，为让学生能够真正理解和掌握焊接残余应力产生的原因、焊接残余应力对焊件产生的影响及如何减少和消除焊接残余应力等内容，帮助学生为今后从事焊接工作打下良好的理论基础。下面就焊接残余应力的相关知识，进行归纳和总结。

一、焊接残余应力的产生

1、焊件在焊接过程中，其焊缝高温区的膨胀受到了周边低温区的限制与挤压，使高温区域产生局部压缩塑性变形，当焊件在冷却过程中，受到局部压缩产生塑性变形的金属由于不能自由收缩，而受到低温区的拉伸，这时，焊件中就产生了一个与焊件加热时产生的应力方向相反的应力，即焊接残余应力，又称温度应力。

2、焊缝在高温向低温的冷却过程中，焊缝金属会发生二次相变，这种二次相变，会引起金属材料组织的变化，从而产生体积的变化，在焊接接头区域产生了应力，又称相变应力。

3、在焊接过程中，如对焊件采用刚性固定，那么，焊接后焊件变形减少，但应力却增加。反之，要使焊件残余应力减少，其变形量就要有一定的增加。但焊接应力与变形在一定条件下，都将影响到焊件的质量。所以，应力和变形要合理控制好。

4、焊接材料的屈服强度、导热系数、线膨胀系数、密度、比热容、焊件的形状与尺寸、焊接方法和焊接工艺等因素，对焊接残余应力的分布和大小都将产生较大的影响。

二、焊接残余应力对焊件结构产生的影响

1、对焊件结构刚度产生的影响当焊件某个区域所受的应力达到屈服点时，这一区域部分的金属材料就会产生局部塑性变形，无法再承受外载荷，从而导致焊接结构的有效截面减少，使焊接结构的刚度降低。

1）焊件中的拉伸应力区域越大，对焊接结构刚度的影响也越大。当卸载后，焊件残余变形也就越大。

2）焊件的结构受到弯曲时，如果焊缝所在区域的弯曲应力越大，则对焊件的刚度影响也越大。

3）当焊件的结构上，同时存在纵向焊缝和横向焊缝，或对焊件进行火焰校正时，都有可能在相当大的截面上产生拉伸应力，会对焊件的尺寸精度和焊件的稳定性产生较大的影响。

2、对焊件静载强度产生的影响对焊件静载强度的影响，主要取决于焊件材料。如焊接材料具有一定的塑性变形能力，则焊接残余应力并不会影响焊接结构的静载强度。当焊接材料处于脆性状态时，则有可能会使焊件局部区域在应力作用下，产生断裂现象，导致焊件结构的破坏。

3、对疲劳强度产生的影响。焊接构件的疲劳强度在焊件的应力集中处受到拉伸应力时会降低，因此，我们要从焊件的设计和工艺两方面来考虑降低应力集中系数，从而降低焊接残余应力对疲劳强度的影响程度。

4、对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响。随着机械加工中残余应力的平衡状态被破坏，将会使焊件产生新的变形，最终导致加工精度下降。另外，焊后组织的不稳定及稳定组织在温度升高时，都会使焊接残余应力产生较大的变化，导致焊件尺寸稳定性的下降。

5、对应力腐蚀开裂产生的影响。焊接残余应力的大小，直接影响应力腐蚀开裂的时间，焊接残余应力越大，焊件发生应力腐蚀的时间就越短。

三、焊接残余应力的减小和消除

1、焊接残余应力的减小措施。减少焊接残余应力和改善残余应力分布可以从设计和工艺两个方面来考虑解决。并且，要采取设计优先的原则，使减小焊接应力的措施，达到事半功倍的作用。

1）设计措施。（1）在保证焊件结构强度的前提下，可适量采用冲压结构，以减少焊接结构。尽量减少焊件焊缝的数量和截面尺寸。同时，焊缝不要过于集中，以防局部区域的热输入过大，尽量减少焊接残余应力的产生。（2）焊缝要尽量布置在最大工作应力区以外，防止焊接残余应力与外部载荷产生的应力叠加，影响结构的承载能力。并尽量防止焊缝过于集中、交叉，保持较好的焊接操作性。（3）采用降低局部刚度的方法和合理的接头形式，使焊缝能较自由的收缩，减少焊接接头产生应力集中现象。（4）采取热输入较小和能量密度集中的焊接方法来减小焊接残余应力。如氩弧焊与离子弧焊等。

2）工艺措施（1）在焊接过程中，要先焊错开的短焊缝、收缩量较大的焊缝和受力较大的焊缝。同时，根据不同的焊件结构采取相应的焊接顺序，这样才能使焊缝有较大的收缩自由，保证焊缝中的残余应力尽可能减少，并要保证焊件的焊接残余应力的分布要合理。（2）在焊接拘束度较大的焊缝时，要注意降低焊缝的拘束度。例如，可采用反变形法来降低焊件的局部刚度，减少了焊缝拘束应力。（3）采用合理的焊接工艺参数及合适的加工方法。如选用小直径焊丝、采用较小的焊接电流及提高焊接速度等方法来控制焊接热输入，也可采用预热、加热减应区及捶击等方法，来减少焊缝的焊接残余应力。

2、焊接残余应力的消除措施对易发生脆性断裂危险的截面、重要的压力容器和要保证尺寸精度、加工精度及刚度的结构，一定要进行消除应力处理。具体方法如下：

1）焊件热处理热处理包括焊件整体高温回火和焊件局部高温回火。它是把焊件整体或局部加热至600~650℃，保温后缓慢冷却，因加热温度在相变点以下，金属组织末发生变化，只是其屈服点降低了，使内部在残余应力作用下产生一定的塑性变形，使应力得以消除。值的注意的是，整体加热要注意保温时间，局部加热要保证有足够的加热宽度。

2）机械拉伸法对焊件施加载荷，使焊件压缩变形区域被拉伸，这样，可减少由焊接引起的局部压缩塑性变形的量，使焊接残余应力降低。值的注意的是对焊件施加载荷的方向要确定。

3）温差拉伸法对较规则焊缝和厚度不大的板壳结构，可采用温差拉伸法。目的是对有压应力的焊缝进行拉伸，从而消除或降低焊接残余应力。

4）振动法对一些重要的结构简单的焊件，可对其在固有频率下进行振动处理，以消除焊件内的残余应力。此种方法应用较广。

四、结束语：焊接残余应力在焊接过程中极易产生，它对焊件的质量危害较大，造成焊件疲劳强度降低，加工精度和稳定性降低，减少了焊件的使用寿命。所以，预防和控制焊接残余应力非常重要，相信通过对焊接残余应力的产生原因、控制方法和消除方法进行分析和总结，一定会对学生理解和掌握本章内容，起到了积极的帮助作用，为学生今后从事焊接工作打下良好的理论基础。参考文献

[1]吴金杰焊接工程师专业技能入门与精通[M]北京：机械工业出版社 2009.6

第五篇：简析立式拱顶钢油罐制作工艺及焊接变形控制策略

简析立式拱顶钢油罐制作工艺及焊接变形控制策略

摘要：随着社会市场经济的快速发展，我国的交通运输业取得了快速的进步与发展，作为石油与石油产品的储存设备，对于油罐的需求量越来越多，其中应用最为广泛的就是立式拱顶钢油罐，在其制作过程中，保证焊接工艺的准确性，以便于对焊接变形进行有效控制是非常必要的，本文就主要对立式拱顶钢油罐的制作工艺及焊接变形控制予以简单分析。关键词：立式拱顶钢油罐；制作工艺；焊接变形；控制策略

由于立式拱顶钢油罐的特殊使用要求，为了保证其使用质量的合格性，国家在相关标准中对于其罐体各个部位的集合形状、尺寸允许变形量、焊接质量等都予以了明确规定，但是在实际的制作施工过程中，由于其体积比较大，尺寸成形控制具有较大难度，这使得其焊接施工过程中很容易出现焊接变形，对于其施工质量产生影响，作为其制作过程中的焊接变形控制显得非常的必要。

一、立式拱顶钢油罐的结构及施工方法

在实际应用中，大型的立式拱顶钢油罐通常由灌顶、罐壁、罐底及相应的附件组成，其罐壁的钢板厚度通常为5到8毫米，并且壁板的厚度表现为从上到下逐渐增大的特点，在其制作的过程中，主要采用对接式与搭接式两种组合方式，不管是顶板的施工，还是壁板与底板的施工，都需要经过排版图的绘制、预制板的拼接、组装焊接等几道工序来完成，在安装的过程中，其安装顺序也是先进行底板的安装，再进行顶板安装的过程中，最后应用倒装的方法开展施工，在其拼接施工与组装施工的过程中，由于其具有较多的焊缝，并且为双面连续焊，这使得焊接胀缩所导致的几何变形与应力集中是难以完全避免的，所以在立式拱顶钢油罐的制作过程中，应该积极采取有效的措施，防止各种形式的几何变形，以便于保证所制作的成品不仅能够满足设计规范的相关要求，还能够有效的消除应力破坏隐患，这能够有效的延长油罐的使用寿命。

二、立式拱顶钢油罐罐底的制作及焊接变形控制

本次研究中的钢油罐的罐体底板是应用条形边缘板与对称矩形中幅板通过搭接的方式来组成，在开始预制之前，首先需要进行制版图的绘制，在排版的过程中其直径按照设计直径放大0.1%~。2%，之后按照设计尺寸以及板材的实际规格对每块边缘板与中幅板的下料尺寸予以合理设计，以便于有效的减少边角料所导致的浪费，在每块底板的下料完成之后，应该对照排板图为其编写相应的号码，这能够防止在组装的过程中出现混乱与差错，在底板的组合过程中，应该从中心板开始向周围方向进行辐射排板，在搭接的过程中，应该将搭接宽度控制在设计尺寸的正负5毫米的范围进行调整、定位与点焊固定。另外一个需要注意的问

题是：搭接接头处三层钢板的重叠部分，应该将上层钢板进行切角，其切角的长度值应该为搭接长度的两倍，宽度应该为搭接长度的三分之二。在开展罐底板的组装焊接的过程中，底板的定位过程中，应该对点焊的数量合理控制，若点焊的数量太多，在实施整体施焊之后很容易导致出现底板的起拱现象，但是若点焊的数量太少，又很容易在施焊的过程中引起崩裂，难以起到良好的整体控制的目的，因此，在开展罐体底板焊接的U工程中，不仅要掌握正确的施工施焊顺序，还应该积极的采取相应的辅助措施来有效的防止其变形。

依据立式拱顶钢油罐罐底的制作工艺及焊接顺序，提出下列的焊接变形控制措施：（1）在根据来料情况进行排板图的控制的过程中，应该对焊缝的位置合理安排，防止焊缝在某一个小区域中的集中；（2）对焊接电流合理控制，应用分段退焊的方式来有效的减小焊接线的能量与热影响区；（3）在罐底板的焊接过程中，应该保证焊接顺序的合理性，通常情况下是先进行短缝的焊接再开展长缝的焊接，并从中心向两边开展焊接，从原则上来讲，每条焊缝都可以尽量的收缩，以便于钢板与焊缝中的内应力能够有效的减少，这对于减少罐底板的变形具有积极的作用；（4）在焊接过程中进行搭接时，应该应用夹具使其尽量的贴紧，并且每条焊缝都应该焊接两遍以上；（5）罐底与罐壁间两侧的角缝应该各焊接3遍成形，以便于在焊接过程中获得较高的冲击韧性，在具体的焊接过程中，先将内侧的3遍焊完之后再进行外侧的焊接，也可以内侧一遍、外侧一遍交替开展，但是如果先开展外侧的焊接，就会导致底板的外缘上翘，不仅会对油罐的美观性产生影响，还会对罐底的受力状况产生影响；（6）通过锤击焊缝来提升焊缝的延伸性能，以便于焊缝中的残余应力有效降低。

三、立式拱顶钢油罐罐壁的制作及焊接变形控制

在罐壁的制作过程中，应用人工拉葫芦顶升的方式倒装法开展施工，具体的立柱与葫芦的装设数量，应该依据罐壁的具体重量来进行设置，在顶层罐壁的施工过程中，由于其质量比较小，葫芦的用量就会明显减少，在罐壁的制作安装过程中，除了顶层第一圈的壁板应该组装成圈以便于很好的满足灌顶的组装要求之外，其余每层都应该流出一块一米多长的活口扳，等待上层顶升到位之后再补装成圈，这不仅能够有效减少焊接应力，还能够有效提升罐中的采光与通风效果，为工作人员进出油罐提供便利。在壁板的预制加工过程中，主要是依据设计层数、直径、板材规格、壁厚等要求，对各层的壁板的长宽以及所需的块数进行确定，但是要求各圈壁板的纵向焊缝应该向同一个方向逐圈错开；在壁板的组装过程中，为了防止其在吊装过程中出现弧度变异，应该应用弧形吊具，将壁板立靠在弧形钢管的横担上进行吊装。

在其焊接变形控制过程中，应该注意下列问题：（1）壁板应该从顶圈中开始组装焊接，在顶圈组焊的过程中，将预制好的壁板围着胀圈与灌顶包边角钢，在电焊定位之后实施纵缝焊接；（2）壁板搭接环缝的焊接过程中，应该由多名焊工均匀分布，分段顺着同一个方向施焊，电焊完成之后再开始正式的焊接；（3）油罐焊接过程中壁板焊缝所产生的残余应力比较大，应该保证其焊接顺序的合理性，以便于焊缝能够自由收缩，是焊缝能够得到延伸，有效降低残余应力。

四、立式拱顶钢油罐灌顶的制作及焊接变形控制

立式拱顶钢油罐的灌顶通常是由一块中心伞形顶板与一定数量的扇形弧板组成，中心板与扇形弧板内侧都有纵向与轴向的加强钢肋，在顶板的组装之前，应该尽可能仔细的架设好顶板的组装构架，以便于打下良好基础，并且各个环支撑圆圈的装设高度必须要能够满足扇形弧板的弧度要求，在组合扇形弧板的吊装时，应该先画好等分线的对称方向一次增加组装，一直到整体顶板初步形成之后，对间隙进行调整之后应用电焊来进行固定，并将其搭接宽度的允许偏差控制在正负5毫米的范围内。

在灌顶的焊接过程中，应该在其顶板拼装完成之后，焊工在拱顶上对称的分布，隔缝施焊，并且时从中心向外分段退焊，灌顶中心圆板在罐体收缩缝焊完之后在进行焊接，若出现罐内压力超限的情况，应该将球壳掀开，防止罐壁的破裂，因此在进行灌顶板与包边角钢之间的焊接时，只需要在外侧应用单边的连续焊。结束语

在立式拱顶钢油罐的制作过程中，其制作工艺比较复杂，并且是一项系统性的工程，应该对各种情况进行综合考虑，选择合理的制作工艺，同时要对各种影响焊接变形的因素进行有效分析，以便于制定出有效的控制焊接变形的策略，对于降低其焊接变形具有积极的作用。参考文献

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