焊接技巧100招02.docx

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焊接技巧100招02

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四、控制焊接变形

4.1焊接变形产生的原因

1、加热对焊缝金属的物理性能的影响有哪些？

焊接加热对焊缝金属的物理性能有很大的影响，主要包括硬度（或弹性模量E）增加、屈服点降低以及伸长率增加等。

低碳钢焊接时焊缝金属的物理性能变化如图40所示。

2、为什么焊接会引起变形？

在高温下沿着焊道方向焊缝金属逐渐增加，电弧附近的峰值温度可以达到几千摄氏度，这使靠近焊缝的较热金属比远离焊缝的较冷金属更加膨胀，但较冷金属会阻止来自于较热金属的膨胀力，使工件金属形成永久性变形。

当工件冷却时，热收缩力将使焊缝金属收缩；此时某些收缩力会分布于变形的工件金属中，而在工件的刚性部分，这些收缩力不会分布开并残留在工件内部，形成内应力，如图41所示。

3、施焊在长形焊接件上的焊缝是如何产生变形的？

焊接时沿整个焊缝长度会产生收缩，如图42所示，收缩总是产生于焊缝金属和母材金属之间。

4、控制收缩和变形程度的因素有哪些？

①外部夹具的拘束作用；

②大型焊件的内部拘束；

③焊件自身的刚度；

④焊接热量输入和焊接速度；

⑤冷却速度。

这些因素的交互作用十分复杂，对于最简单焊缝的收缩和变形进行计算和预测也是很困难的，但可以采取一些措施、工艺步骤控制收缩和变形量。

5、在哪些部位会看到焊接收缩和变形的影响？

沿焊缝轴线部位易引起纵向收缩，沿垂直于焊缝轴线部位易引起横向收缩，如图43（a）所示。

在丁字形焊缝的十字交叉部位容易变形，如图43（b）所示。

这种变形主要是由焊缝熔敷金属和热影响区金属共同作用引起的。

根据焊缝中心轴线的位置不同，给向收缩对工件的影响作用也不同，如图44所示。

焊缝总是收缩，中性轴长度不变。

所以中性轴总是弯向焊缝。

6、导致焊接变形的最直接的控制因素是什么？

主要是焊接熔敷过量，焊接熔敷过量是经常被忽视的引起变形的原因。

由于缺乏对焊接过程的准确把握，设计者可能会制定较大的焊缝尺寸；当零部件送到工厂的车间时，车间技术人员为了安全地进行焊接，将零件的尺寸进一步增加，最后焊接操作者为了确保得到牢固的焊缝，又进一步增加了焊缝的尺寸，结果是最初6mm的角焊缝最后被焊成12mm的角焊缝尺寸。

焊接操作者可能没有意识到焊缝金属与焊脚尺寸成平方关系，结果焊脚尺寸增加6mm使得焊缝熔敷金属成倍增加，同时还明显增加焊缝的收缩变形，也会增加4倍的焊接费用，因此过量熔敷的焊缝金属是不必要的。

在图45（a）中，焊接熔敷过量会增加焊缝的收缩力；在图45（b）中，采用小尺寸焊缝会降低变形；在图45（c）中，采用断续焊缝可以减小焊缝长度，并可以进一步减小焊缝收缩和变形。

4.2控制收缩和变形

1、明显减小焊缝变形的步骤有哪些？

减小焊缝变形的主要步骤如图46～图48所示。

2、其他的控制附加应力和变形的方法是什么？

①可以采用在焊道每一侧进行多道对接焊缝以减小角变形；

②对于复杂结构应调整结构的焊接位置及顺序，以平衡产生的收缩力，通常应采用对角焊缝结构；

③在较冷的环境中，采用焊前预热对于降低焊接冷却速度并获得良好的接头有一定的作用。

但根据美国海军部门的研究表明，焊前预热并不能很有效地减小焊接变形；

④大型焊件焊后进行热处理主要是为了减少残余应力，并防止在机械加工的焊缝表面产生变形。

对于一个具有较大残余应力的焊接结构，采用机械加工方法消除焊缝金属可能会导致产生更大的变形；

⑤火焰矫正法，见弯曲与校直。

实际应用中经常将两种或更多的控制应力和变形的方法结合应用，以获得良好的应用效果。

4.3横梁的横向和纵向收缩

1、焊缝尺寸和形状是如何影响焊缝的收缩变形的？

收缩变形的产生与焊缝金属的熔敷量和形状有直接关系。

如图49（a）所示。

同样尺寸的钢板，采用双面V形坡口所产生的收缩变形是采用单面V形坡口的一半。

图49（b）所示为常用板材厚度与焊缝面积的线性关系示意。

通过分析可以估算出焊缝的横向收缩变形量等于焊缝十字交叉部分平均宽度的10%，即：

横向收缩量＝0.10×平均焊缝宽度。

这表明减小焊缝尺寸并保证所要求的强度，可以满足控制收缩变形的要求。

2、当一个钢板被焊接成带卷边的工字梁结构时，可以预测工字梁中心的偏差吗？

可以。

采用图50中的方程计算出的纵向焊缝收缩量与实测值基本一致，公式中面积A、转动惯量I、横梁结构的硬度值可以从有关数据表中获得，该方程也适用于T形梁结构和角焊缝结构。

横梁结构还可以采用水压机进行机械弯曲力和用氧－乙炔火焰进行弯曲。

如果对法兰盘上底和下底进行焊接时，横向收缩力会产生平衡，使得焊缝几乎没有横向收缩偏差。

3、当在两个C形管道上焊接一个长的、薄的箱形件时，为了减小箱形件和管道的最终弯曲变形，应采取何种措施？

产生应防止第一道焊缝直接冷却直到第二道焊缝焊完，然后让两个焊缝同时冷却，以促使两个焊缝彼此平衡收缩变形力，来防止弯曲变形。

五、焊缝尺寸与强度

5.1角焊缝的尺寸

1、如何测量角焊缝的尺寸，以便确定角焊缝是否符合图纸中的要求？

角焊缝的形状可以是凹形、凸形或平直的，焊脚可以相等或不等。

但角焊缝的实际尺寸是通过测量焊缝中最大等腰直角三角形的焊脚长度而获得的，该等腰直角三角形是通过角焊缝横截面与母材表面成一直线的焊脚来表示的。

没有适当的量具，很难测量出角焊缝的尺寸。

角焊缝的测量方法如图51所示。

2、为了增强整个金属板的综合强度，确定角焊缝尺寸的一般原则是什么？

假定角焊缝在金属板件的两侧，并且分布在整个金属板长度上，角焊缝的焊脚尺寸应当为金属板厚度的75％；如果焊接两块不同厚度的金属板，则以较薄板的厚度作为参考依据，如图52所示。

3、还有哪些其他公认的测量焊缝尺寸的原则？

美国焊接学会（AWS）和美国钢结构学会（AISC）已把一些测量焊缝的原则运用到建筑和桥梁的焊接实践当中，有关最小有效焊缝长度的测量原则如图53所示。

5.2焊缝的强度

1、根据工业标准和代码进行焊接时，钢板之间的典型结构焊缝能达到怎样的强度？

焊缝一般能保持较高的强度，以至于超过了焊材代码和应用中所要求的强度。

在很多情况下，这种焊缝的强度不能通过焊材代码本身辨别出来。

例如，用普通焊条E60××焊接完成的焊缝强度比焊条标称的最小强度值高大约50%。

并且在焊接完成后，很多市售的E60××焊缝的屈服强度比结构钢本身高75%。

2、为什么典型焊态下的结构钢焊接接头的强度比母材金属的强度高？

有以下两个原因。

①所用焊条中的金属心是优质钢，比母材的性能好。

②在焊接过程中，熔化金属受到良好的保护作用。

与电炉钢相比较，焊条药皮还具有净化剂和脱氧剂的作用，药皮中的其他合金成分能够促使形成均匀的晶体结构和良好软科学性能的焊缝。

3、焊接缺陷，可美国焊接学会AWS术语中的非连续，对焊缝的强度有何影响？

①图54表明，对于焊接接头试样来说，焊缝上尽管有严重的咬边缺陷，但在静载荷的拉伸作用下，失效的是金属板，而不量焊缝。

②一个总的原则是，角焊缝尺寸应为被焊金属板厚度的75%，以便增强整个金属板的强度。

依据这种方法，在厚度12.5mm金属板上焊接尺寸为9.5mm的角焊缝的强度应比母材金属高，对于尺寸为8.7mm和8mm的角焊缝也是这样。

当角焊缝尺寸减小到6.4mm时，焊缝金属在220kgf/mm压力（该压力值是美国焊接学会施用压力的5倍多）作用下才发生破断。

尺寸不足够大的角焊缝对焊缝强度的影响如图55所示。

③图56给出了未焊透对焊缝强度的影响。

进行拉伸试验之前，先将焊缝加工平整。

当焊缝缩颈处减小到整个试样厚度的31%时，整个焊缝才发生破断

4、焊缝中有多少气孔时会影响到焊缝金属的强度？

试验表明，当焊缝中的孔隙量大于整个焊缝的7%时，焊缝的塑性或抗拉强度、冲击强度将发生很大的变化。

六、焊接工装与夹具

6.1插销、搭扣及密封

1、如果在金属板或构件的孔上焊接一个螺母，或者为水平螺旋制作螺纹，在孔上放置螺母的最好方法是什么？

①焊接之前，将螺母表面的金属Zn和Cd用锉刀等工具打磨掉，以防止污染焊缝。

②采用另一个螺母和螺栓对上述的螺母施加拉力，并在焊接时将螺母牢靠地固定在金属板上。

③焊缝冷却以后，去除没有被焊接住的螺母和螺栓。

在金属板孔上焊接螺母的具体方法如图57所示。

2、为工作台或构架制作水平调整卡具时，比较快速和经济的方法是什么？

先将一个六角螺栓的头部磨平，以便使螺栓头套在垫圈的孔上，然后再把垫圈焊接到螺栓上，形成一个底座。

为了便于转动螺栓，可将一根直径为6mm的金属棒焊接到螺栓上，最后按照前面所述的方法将一个螺母固定在金属板上形成螺纹。

水平调整卡具如图58所示。

3、在钢板上精确地定位和固定插销或填塞，比较好的方法是什么？

①确定出插销中心的位置；

②钻出能使插销滑进或推进的孔；

③将插销的末端切成斜面，插入孔中，并在插销的后端部进行塞焊；

④为了显得美观，对塞焊处进行打磨使构件的后部齐平。

带有塞焊焊缝固定插销的方法如图59所示。

4、如何简易制作搭扣或连接点？

①用手工钢锯（可以是Sawzall型或Portaband型）切取一段链环，使切取下来的链环两段相互平行；

②按照所切割链环要插入的位置和直径钻两个孔；

③将链环插入孔中，并用塞焊方法从后面将链环固定住。

如果放置搭扣的构件后部没有可焊接处，可以将一小金属板焊接到构件上面。

采用链环制作搭扣或连接点的方法如图60所示。

5、采用焊接方法制作中空的圆形或矩形管状工件时，为了达到外形美观、安全和耐用的要求，有时工件的末端需要密封，有哪两种常用的密封方法？

①最简单的密封方法是在管状工件末端插入尺寸适当的塑料塞子，如图61（a）所示。

这些塑料塞子有圆形、方形和长方形等形状。

但插入塑料塞子有个缺点，大多数塑料塞子伯外观和尺寸只能应用于室内。

如果工件长期暴露在室外大气中，塑料塞子会由于气候的影响而逐渐发生老化，进而失去保护边缘的能力。

②另一种密封方法是用钢板将管状工件末端覆盖住，并将钢板焊接固定，如图61（b）所示。

这种方法虽然费时，但能有效地避免气候的不良影响。

6.2框架的制作及固定件

1、如要在框架构件上放置物体，但框架要易于移动，如何制作这样的框架？

在框架构件上焊接长度较短的矩形管状材料，然后将物体安装到可以让管子滑进去的立体方形槽中，如图62所示。

为了特殊需要，也可以采用圆管关材料和棒状材料来制作能旋转的支架。

2、如何将中空的圆柱体或铸件牢固地安装到金属板上，并使其容易拆卸？

①将一个大直径螺栓的顶部焊接或用钎焊方法连接到金属板上，围绕螺栓的顶部焊接一圈焊缝。

②由于螺栓和金属板的尺寸较大，有时需对它们进行预热。

③将中空圆柱体或铸件用螺栓固定，并用反弹垫圈和螺母将它们紧固住。

采用经过焊接的螺栓来坚固中空物体的示意如图63所示。

螺栓上部有较粗大的螺纹，能在不需加工螺纹或不在底部金属板上钻孔的情况下将中空物体坚固住。

如果螺栓和金属板需要经过火焰预热，采用额定电流为130A的气体保护焊焊机或FCAW焊焊机，可以将直径在9～16mm之间的螺栓比较容易地焊接在厚度12mm的金属板上。

3、有哪三种方法可以防止螺母从螺栓上脱落下来？

防止螺母脱落有以下三种方法。

（原作者遗漏了用凿子在贴近螺母的螺杆部位对称敲击3处，以破坏局部螺纹的办法）

①将螺母直接焊接在螺纹上。

②在螺纹的末端焊上“塞焊”。

③在螺杆的末端锯出切口，然后采用火焰加热螺杆末端并将端部加工成蘑菇状，以便防止螺母脱落。

防止螺母脱落的三种方法的示意如图64所示。

4、很多管子的管壁太薄，以至于很难加工螺纹，如何在这样的管子上加工螺纹？

将一个带有螺纹的芯棒放置到管子末端的内部，并用一个或多个塞焊焊缝将芯棒固定住，如图65所示。

这种加工方法普遍用于汽车悬挂件和飞机控制棒的制作中。

5、不采用焊接方法，如何在钢板内设置系钢丝绳的抓手？

首先在钢板上刻出“抓手”的形状，如图66所示。

从海底打捞俄罗斯Kursk号沉船时是采用了类似的系钢丝绳的“抓手”，即采用等离子弧割炬割穿船体制作成“抓手”，将26根钢丝索分成两排系在船体上，使沉船容易被提升起来。

七、焊接装配与支架

7.1焊接装配

1、如果用铁链代替钢丝绳，在不采用焊接方法的情况下，如何在甲板或舱壁上固定铁链？

在船运工作中，在甲板上固定货物是一个普遍的现象。

采用火焰切割法在甲板上割出一个十字形状的孔，为在甲板上固定铁链提供了一种安全、便利的方法。

可在铁链下面焊接一块薄铁板，以防止水、火花和烟尘进入甲板下面，如图67所示。

2、采用焊接构件，有哪几种制作轴承支撑架的设计方案？

采用焊接方法制作轴承支撑架的设计方案如图68所示。

3、有哪几种采用焊接构件制作机器底座的方法？

采用焊接构件制作机器底座的几种方法如图69所示。

4、要求机身与机器底座连为一体时，有哪几种设计方法？

常用的重型机器底座的设计方法如图70所示。

7.2焊接支架及制作

1、有哪两种用焊接取代铸造而制作支架的设计方法？

采用焊接方法来制作高强度支架的两种设计方法如图71所示。

特别是图c，很巧妙哦！

制作支架从使用铸件向使用3块、2块钢板的变化如图72所示。

支架设计方法的改变不但使得支架制作成本低、质量轻，而且使制作支架所需要的时间缩短。

制作支架时，用焊接取代铸造的发展及优点如图73所示。

弯曲与焊接方法相结合更有易于支架的制作，这种支架的示意如图74所示。

用于承担重载荷、内侧加装筋板的支架如图75所示。

采用焊接方法将矩形管状材料与直角支架焊接在一起，可以制作承爱很大载荷的支架，如图76所示。

2、滚轴在载荷的作用下发生弯曲（如图77所示），使轴线不重合，并使轴承内部发生严重磨损。

不将滚轴放置在旋转轴承上，如何避免以上问题的发生？

解决上述问题的措施是设计一个用焊接方法制成的钢制轴承，该轴承在同样载荷下与轴弯曲的角度相同，便得轴承与轴承在同一中心线上，这种技术称为弹性匹配，如图77所示。

3、如要制作一种弯曲度小且易于拆装的横梁（如图78所示），一种方法是将工字钢的两端焊接到金属板上，并用螺栓将金属板固定在构件上。

然而这种横梁是依赖于周围构件的刚性而起作用的，并且难以拆装，有没有更好的方法来制作横梁？

有更好的方法来制作横梁。

当横梁的中部和两端受到集中载荷时，横梁受到的弯矩（力）示意如图78（c）所示。

如果在弯矩为零的两个部位将横梁连接起来，连接处只需承受垂直剪力。

横梁两端底部的简易焊接底架，以及横梁中部的金属板能提供承受载荷所需要的刚性，并容易拆装，如图78（b）所示。

4、采用焊接方法对角钢进行装配时，如图79（a）所示，立焊焊缝在一定大小的周期性载荷作用下易发生破坏。

如何解决这样的装配问题？

在周期性载荷作用下，角钢容易发生扭曲，使得两条立焊焊缝变成相互作用的横向剪切焊缝。

除了立向剪切载荷外，这两条立焊焊缝通过横梁的扩张也承受横向剪切载荷。

如果用一条横焊焊缝代替这两条立焊焊缝，受到的横向剪切力将减小，如图79（b）所示。

对于位于上部的角钢来说，焊缝越靠近角钢较厚的部位，作用在焊缝上的压力起小。

这是因为上部角钢的金属减小了角钢的扩张量。