薄板焊接结构工艺性研究韩宇.docx
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薄板焊接结构工艺性研究韩宇
克拉玛依职业技术学院
毕业设计（论文）
薄板焊接结构工艺性研究
系部：
机械工程系
专业：
焊接技术及自动化
班级：
焊接1331班
学生：
韩宇
学号：
13030304
指导教师：
林报钦
2016年6月
目录
引言2
第一章如何焊接薄板3
1.1选材3
1.2焊接薄板3
第二章薄板焊接变形5
2.1结构件及变形基本形态分析7
2.2焊接变形原因分析7
2.3焊接变形原因分析7
2.4优化焊接工艺确保焊接变形8
第三章薄板变形控制措施10
3.1薄板失稳变形的原因10
3.2目前控制薄板变形的主要方法10
参考文献14
谢辞15
摘要
薄板焊接结构在生产实践中有着广泛的应用，例如汽车的车架，车身等重要部件，都是由薄板型材或冲压件经过不同焊接方法制造而成的，焊接过程中产生的变形对这，些部件甚至整车的质量都有重要的影响。
因此，研究薄板结构焊接过程中的变形规律及其控制方法，对于提高产品质量增强产品的市场竞争力，具有重要的意义。
对薄壁箱形梁CO2气体保护焊进行了试验研究，测量了某实际工件的焊接变形为理论分析结果的验证提供了依据。
针对控制焊接变形的反变形方法，采用单位长度的一维模型，考虑弹性和刚性约束条，件详细分析了不同情况下固有应变的产生情况，提出反变形法消除焊接变形的条件：
是反变形量在焊缝处产生的应变要达到该处材料的弹性极限应变，根据这一条件，基于不同温度下材料具有不同的本构关系，建立了梁的预先反变形挠度计算公并讨论了公式，的应用条件根据所提出的反变形挠度公式对大型细长空间薄壁梁的焊接变形控制进行了试验研究，表明该公式用于指导反变形量调整是有效的，其中有些部位经过一次调整后，焊接变形就可以控制到接近公差要求。
关键词：
薄板焊接变形反变形
引言
薄板结构件焊接变形的控制与矫正，薄板结构件一般指由厚度不大于4毫米的钢板（包括不锈钢板、镀锌板、白铁皮）组焊而成，控制与矫正薄板结构件的焊接变形需要有高超的技术，二、焊接变形产生的原因，焊接过程中及焊后，焊接构件都将产生变形，影响焊接变形最根本的因素是焊接过程中的热变形和焊接构件的刚性条件，在焊接过程中的热变形受到了构件刚性条件的约束，这就产生了焊接残余变形，影响焊接热变形的因素，焊薄板结构件焊接变形的控制与矫正。
焊接过程中的热变形和施焊时焊接构件的刚性条件是影响焊接残余变形的两个主要因素。
根据这两个主要因素可以认为焊接残余变形是不可避免的，即完全消除焊接变形是不太可能的。
控制焊接残余变形必须从薄板结构件设计和施工工艺两个方面同时采取措施。
在薄板结构件设计上除了要满足构件的强度和使用性能外，还必须满足构件制造中焊接变形最小及耗费劳动工时最低的要求。
因此优化板缝布置尤为重要，设计图纸中的板缝布置往往对工艺性考虑不周,容易引起焊接变形。
焊接工艺是钢结构施工中的重要工艺之一。
合理的焊接工艺是减少焊接变形，减少应力集中的有效方法。
为了控制构件焊接变形，应尽可能采取有效措施，如：
将构件分为若干小部件与构件分段，使焊接变形分散在各个部件上，便于构件变形的控制与矫正；使各部件焊缝的布置与构件分段截面中性轴对称或接近截面中性轴，避免焊接后产生扭曲和过大的弯曲变形；对每一条主要焊缝，尽可能选择小的焊脚尺寸和短的焊缝；避免焊缝过分集中和交叉布置；尽可能采用宽而长的钢板或能减少焊缝数量的结构形式，等等。
第一章如何焊接薄板
1.1选材
焊接薄板要看板的厚度、焊件宽度、对焊件焊缝的要求程度，选用何种焊接设备。
一般都是对好一条接口点焊住再进行焊接，具体焊件具体采用方法不同。
薄钢板是钢板厚度小于等于4mm，中钢板是钢板厚度在4mm~25mm之间，厚钢板是钢板厚度大于等于25mm。
钢板是一种宽厚比和表面积都很大的扁平钢材。
钢板按厚度分为薄板和厚板两大规格。
薄钢板是用热轧或冷轧方法生产的厚度在0.2-4mm之间的钢板。
薄钢板宽度在500-1400mm之间。
根据不同的用途，薄钢板采用不同材质钢坯轧制而成。
通常采用材质有普碳钢、优碳钢、合金结构钢、碳素工具钢、不锈钢、弹簧钢和电工用硅钢等。
它们主要用于汽车工业、航空工业、搪瓷工业、电气工业、机械工业等部门。
薄钢板除轧制后直接交货之外，还有经过酸洗的、镀锌和镀锡等种类。
厚钢板是厚度在4mm以上的钢板的统称，在实际工作中，常将厚度小于20mm的钢板称为中板，厚度＞20mm至60mm的钢板称为厚板，厚度＞60mm的钢板则需在专门的特厚板轧机上轧制，故称特厚板。
厚钢板的宽度从0.6mm-3.0mm。
厚板按用途又分造船钢板、桥梁钢板、锅炉钢板、高压容器钢板、花纹钢板、汽车钢板、装甲钢板和复合钢板等。
钢板的一个分支是钢带，钢带实际上是很长的薄板，宽度比较小，常成卷供应，也称为带钢。
钢带常在多机架连续式轧机上生产，切成定尺长度后就是钢带，因此生产率比单张机制时高。
1.2焊接薄板
氩弧焊受热面积大容易变形，不适合焊接薄板！
到是知道一种最薄可以焊接0.2mm薄板连续焊接！
焊接薄板要看板的厚度、焊件宽度、对焊件焊缝的要求程度，选用何种焊接设备。
一般都是对好一条接口点焊住再进行焊接，具体焊件具体采用方法不同。
焊条电弧焊的引弧接头运条收弧
1引弧方法：
直击法-焊条引弧端与焊件轻磕，提起引弧，保持2-4mm弧长。
容易产生气孔。
不易掌握。
不适合初学者练习。
一般应用于酸性焊条。
焊件技术熟练者、焊缝较窄时使用碱性焊条时可以采用。
划擦法—像划火柴一样，轻轻与焊件接触，动作范围很小，点燃电弧以后保持弧长2-4mm.容易划伤母材，不适合在低合金高强度钢等淬火倾向大的金属使用。
因为容易操作，使用适合初学者使用，一般应用与碱性焊条焊接。
2引弧位置：
一般在始焊端15—20mm处引弧，从端部正常焊接，这样是根据气体电离的热电离的远离设计的，因为温度越高，越容易热电离，电弧容易产生。
称之为：
预热法引弧。
打底层引弧注意从坡口两侧搭桥式引弧；填充层引弧注意在焊道上引弧，接头引弧防止在熔池内引弧，或者在坡口间隙处引弧。
有间隙的引弧采用反复息弧法引弧。
如果从始焊端直接引弧，容易粘弧与焊道窄而高。
根据焊接方法例如左向焊法与右向焊法不同，采用在焊缝的右侧或左侧引弧。
3防止粘弧与粘弧处理：
防止粘弧措施：
合适焊接电流值、碱性焊条厚板焊接采用合适的引弧电流（2-5）推力电流（2-5）粘弧引弧采用左右摇动使焊条脱离焊件，如果不行可以松开焊钳。
防止采用焊钳长时间的短路或没有规矩的摇摆。
4各种运条方法及特点与应用各种运条方法的相同点：
采用手腕运条，稳定、均匀速度，频率节奏鲜明。
动静结合。
柔性。
直线运条方法—特点：
不横向摆动，熔宽小，电弧稳定熔深好。
应用：
各种角焊缝、开坡口对接焊缝的打底层图形：
2）直线往复运条方法：
特点：
在直线上做往复运动，采用手腕前进10mm，后退3mm停顿，再前带10mm，回复3mm---.节奏鲜明，快慢分明，带要快，回要慢。
焊速快，焊缝窄，适合在对接接头开坡口的打底层施焊。
特别是间隙较大时更显示其优点。
也可以应用在角焊缝、多层多道焊的角焊缝最后一道，横对接盖面层的最后一道。
因为其花纹与其他道花纹一致，因此应用较广。
图形：
第一个熔池第二个熔池第三个熔池
3）锯齿形与月牙形运条方法：
特点：
都采用横向摆动，获得一定熔宽。
采用中慢边停前带的运条方法。
边缘停留时间是防止坡口边缘产生未融合与咬边现象，中快是保证余高符合要求。
不同之处是锯齿形中间停留时间比月牙形停留时间短，所以余高小。
应用范围不同：
锯齿形一般应用在填充层，而月牙形一般应用在盖面层。
其摆动频率、间距节奏都很相似。
图形：
锯齿形运条方法月牙形运条法应用：
开坡口的平对接、立对接、立角焊仰对接的填充层与盖面层。
在立焊时也称为抹弧法。
4）三角形运条方法：
正三角形运条方法：
熔池两侧多做停留，中间要快，上提快往中上部，一般应用在立角焊、开坡口的立对接打底层。
也成为挑弧法。
焊接电流一般采用125左右。
斜三角形运条方法：
控制熔池形状，防止液态金属下烫，一般应用在平角焊、仰角焊、横对接等焊缝型式中。
5）月牙加小挑弧：
是抹弧法与挑弧法的综合运用，横向摆动是采用月牙形，提时采用往熔池中上部方向，采用手腕运条，左右交错，频率均匀，节奏分明，提高度不大于10mm，下落致原熔池2/3处，一般运用开坡口的立对接的盖面层，获得花纹均匀的美观焊缝成型。
焊接电流可以在120—130A范围内选择。
6）斜圆圈型运条方法：
在AB段采用稍慢的速度，BC段采用直线前带10mm，然后CD段采用稍快的速度向斜后方向致D点稍作停留，在做循环往复运动。
一般运用在平角焊、仰角，开坡口横对接的填充层、盖面层的第2、3道。
第二章薄板焊接变形
2.1结构件及变形基本形态分析
驱动侧门是由两块4400mm×870mm×3mm主面板，并且在板反面焊接纵横向板条做骨架支撑结构，然后在通过之前做好的立柱在现场通过铰链焊接在一起，可自由开合的门体结构，其结构如图1所示。
图1大面积薄板焊接焊缝形式主要为对接和搭接。
但这两种焊缝形式产生的变形基本一样，除产生横向收缩和纵向收缩外（见图2、3），还会产生失稳翘曲变形（见图4），即常见的薄板焊接后产生的鼓包
2.2焊接变形原因分析
（1）面积大，板比较薄，背面板条与薄板对接，
根据焊接件通用技术条件规定面板的平面度≤4mm，这就要求在施工时根据理论与施工经验来制定严格的施工工艺，稍不注意就会使面板产生较大的凸起，给后续施工带来很大的麻烦。
重新返修难度较大，同时会使生产成本大大地增加。
问题产生原因主要是在焊接工程中由于对焊接应力和变形产生的机理不了解，焊接应力释放不完全，因此要合理的进行施工工艺安排，从而控制焊接应力。
（2）钢板受热不均产生变形，造成钢板扭曲。
2.3焊接变形原因分析
图5给出了引起焊接应力和变形的主要因素及其内在联系。
由图5可以看出，焊接时局部不均匀的热输入是产生焊接应力与变形的决定因素。
而热输入是通过材料、制造和结构因素所构成的内外拘束度而影响热源周围的金属运动，最终形成焊接应力的变形。
材料因素主要为材料特性、热物理常数及力学性能。
制造因素（工艺措施、夹持状态）和结构因素（构件形状、厚度及刚性等）则更多地影响着热源金属的外拘束度。
随焊接热过程而变化的内应力场和构件变形，称为焊接瞬态应力与变化。
而焊后，在室温条件下残留于构件中的内应力场和宏观变化，称为焊接残余应力与焊接残余变形。
图5给出了引起焊接应力和变形的主要因素及其内在联系。
2.4优化焊接工艺确保焊接变形
（1）焊接方法先焊短焊缝后焊长焊缝，采取分段退焊，由内向外依次进行。
如图1中的背面板条短缝，将其由内向外焊接为一体，可自由收缩为一整体长条。
同理，焊完所有短缝，所有中心板都成为焊接后得到自由收缩、基本无应力的若干长条，然后再将每个长条由内向外连接起来，也属于在自由收缩状态下成形，这样焊接应力很小，变形也很小。
（2）分段退焊基本原理分段退焊的原理与间
歇焊和减少焊接热输入的原理基本是一样的，主要是缩小焊接区与结构整体之间的温差，从而减少变形；同时由于头尾相接的焊接顺序，前一段焊缝刚冷却下来，后一段焊缝的热量就会给前一段一部分，使其得到一次退火的机会，同时减小了前后的温差，因而消除应力、减少变形。
根据实践经验，背面板条分段退焊，应以一根焊条为一个循环，一根焊条约焊200mm，这样要比500～600mm一个循环变形要小的多。
这样焊的缺点是接头增加，降低美观程度，但比变形后再去处理变形要合算的多。
（3）由内向外依次进行的基本原理如图1中先焊中间部位横短板条再焊纵的长板条，因为两板相焊，焊缝会产生横向收缩和纵向收缩，又因内部是封闭部位，外部属自由端（越往外越明显），由内向外可使焊缝的横、纵焊缝自由收缩；反之，若先焊外部，自由端被固定，再焊内部时，焊缝的横、纵向收缩都会受到限制，因而产生较大应力，从而产生较大变形。
（4）由多名焊工均布对称施焊的基本原理由于不对称受热而引起变形，长条板不对称受热而引起变形。
在面板的焊接中也要由多名焊工均布对称施焊，这样可以防止由于不对称受热引起偏心力而引起变形，若对称受热，即使有应力存在，也不会引起变形，且越往外越明显，这是因为两侧的应力相等而又有足够的宽度，不会使中心板产生弯曲。
第三章薄板焊接变形控制措施
3.1薄板失稳变形的原因
薄板结构焊接最突出的问题是波浪变形。
通常对于6mm以下的薄板，要特别注意防止失稳而产生波浪变形。
在焊接过程中，薄板上产生高度不均匀的焊接温度场，且由于受到约束作用，最终在焊接接头区域形成残余应力和产生不协调的塑性变形，焊缝附近为拉应力而远处为压应力。
如果压缩残余应力σ的数值达到结构的屈曲失稳临界载荷σsr，薄板就会发生失稳（屈曲），产生波浪变形。
因此，焊缝金属纵向收缩而产生的压应力是导致薄板失稳的主要原因[2]。
t是薄板厚度，B是板宽，K是与板的支撑情况有关的系数。
从上式看出，板厚与板宽的比值越小，临界应力就越小，薄板也就越容易失稳。
因此，可以从降低残余压应力和提高临界应力、薄板刚度两方面着手以减少波浪变形。
如设置加强筋或增加板厚、把薄板压制成凸筋或波纹形等均可以减小和防止波浪变形，同时也要权衡利弊，既考虑工艺性又要考虑经济性。
焊接失稳变形主要受薄板几何形状、板面积、厚度、板件初始不平度和支承条件的影响，同时焊接方法、焊接工艺和焊接程序显著影响焊接变形的程度。
3.2目前控制薄板变形的主要方法
对焊接应力与变形机理的深入认识，使人们能够通过若干不同途径达到减少焊接变形的目的[3]。
预防和控制薄板结构焊接变形方面使用的方法基本上可分为三类：
预防、控制和矫正。
可以从设计和工艺两个方面来解决。
3.1设计方面的措施有：
3.1.1 合理地选择焊缝的尺寸和形式；
3.1.2 尽可能减少不必要的焊缝；
3.1.3 合理地安排焊缝的位置；对称地布置焊缝，并尽可能考虑将焊缝布置在靠近结构中心线的区域内。
3.2 工艺方面的措施有：
3.2.1 正确选用焊接方法和焊接材料。
3.2.2 反变形法和刚性固定法：
刚性固定法和反变形法是控制焊接变形的基本方法。
在焊接工艺上尽可能合理运用刚性固定法和反变形法，预留收缩余量。
刚性固定法是将焊件固定在有足够刚性的胎夹具上，或是临时装焊支撑，以增加构件的刚度来减小焊接变形，待焊接构件上所有焊缝冷却到室温时再去掉刚性固定，这时构件产生的变形将大大小于在自由状态下的焊接变形。
如果再配合其它控制焊接变形的措施，将使焊接变形控制在产品技术公差要求范围以内。
3.3 比较常用的方法还包括：
3.3.1 压铁法：
当薄板面积较大，焊缝较长时，可采用压铁分布在焊缝两侧来减小变形。
3.3.2 散热法：
是一种在焊接过程中消除残余应力的方法。
其原理是在焊接过程中通过喷水强迫冷却，使焊缝附近的材料所受热量大大减少，缩小焊接热场的分布，从而减小焊接变形。
3.3.3 低应力无变形焊接法：
是专门为防止薄板焊接波浪变形的一种新的焊接方法。
在施焊前距焊缝一定距离处用电加热器预热一定宽度，在达到一定温度时开始焊接。
在焊接坡口下方布置铜垫块，垫块上钻通孔通水冷却，以便将焊接热迅速疏散。
在预热区的外侧，用机械或气动夹紧装置使板刚性固定。
这样在焊后，从焊缝区开始，形成了拉—压—拉—压交替分布的残余应力场。
由于临近焊缝区的压缩残余应力处于其两侧拉伸应力场的包围内，所以不能引起薄板的压缩失稳变形。
在这里拉伸残余应力起着一个张紧作用，或者是支撑作用，使得薄板不会因压缩失稳而出现波浪变形。
在预热区外侧，由于压缩残余应力数值较低，而不会引起薄板的失稳变形。
3.3.4 合理选择焊接规范参数和装配焊接顺序。
焊接程序和方向的正确选择，将会使焊后的应力、变形及裂缝的倾向减少。
因此，对于一些环形焊缝及较长的焊缝，还需应用对称焊和逐步退焊法来减少焊接变形。
这是在考虑焊接工艺时必须遵循的原则。
选用线能量较低、熔敷效率高的焊接方法，也可有效地防止焊接变形,核心是热输入的大小，即若要减小并避免焊件的变形，最应注意的是严格控制线能量，即在完成焊缝焊接的前提下，尽量减少焊缝的热输入，从而减小焊接热影响区，减小焊接变形及其对接头性能的恶劣影响。
例如采用CO2半自动焊来代替气焊和手工电弧焊,不但效率高，而且可以减少薄板结构的变形。
另外，焊接时待焊件间隙应在保证焊透的情况下，越小越好；切割熔渣与剪切毛刺应清除干净；焊接之前应采用较小直径的焊条进行点焊（定位焊），增加焊件刚性，这些都有利于减小焊接变形。
同时合理选择点固焊的顺序、焊点距离及大小，不仅能保证焊接间隙，且具有一定的抗变形能力。
3.4 矫正焊接变形的方法
3.4.1 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形,使两者互相抵消。
或者采用锤击法、辊压法来延展焊缝及其周围区域的金属，达到消除焊接变形的目的。
3.4.2 火焰加热矫正法：
是利用气体火焰加热构件的伸长部分，使其在较高温度下发生压缩塑性变形，冷却后收缩变短，来达到矫正变形的目的[4]。
矫正薄板结构的焊后变形，常用的方法主要有锤击法、滚压法、局部加热矫正法等，这些方法虽能有效地控制焊接残余变形，但各有其不足之处[5]。
锤击法是利用锤头的冲击来延展焊缝及其周围压缩塑性变形区域的金属，达到消除焊接变形的目的，但劳动强度大，锤击面粗糙，表面质量差；滚压法是利用圆盘形滚轮来滚压焊缝或近缝区金属，使之碾展伸长，来消除失稳变形，其缺点是为了在滚压焊缝时取得较大的塑性变形量，往往需要10~20t的滚轮压力，在大压力下实现小直径滚轮的直接刚性传动有一定的困难；局部加热矫正法是利用部加热产生压缩变形，冷却后该部位金属产生收缩而达到矫正变形的效果，其效果的好坏取决于操作者的技术水平，而且无法完全消除变形。
另外，矫正变形往往需有专用的工艺装备，增加了制造成本，延长了制造周期。
结论
通过文中的理论分析和针对具体试件的实验结果，得到了如下结论：
（1）如何选材，反变形方法；
（2）变形的测量值和计算值较吻合，即采用的计算公式合理；
（3）本文采用的变形测量方法和计算公式对于生产实践具有参考价值。
参考文献
参考文献
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[2]阎俊霞.焊接薄板结构变形数值模拟研究.天津大学博士学位论文[D],1999.
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66~68
[4]李洪奇.薄板焊接变形的控制和技术措施.黑龙江科技信息[J],2009.
[5]李军,杨建国等.用旋转挤压方法控制薄板的焊接变形.焊接学报[J],2009,29（11）:
25~29
[6]曾骥.加筋板结构焊接变形预报方法研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文[D],2004.
谢辞
从准备开始写（薄板焊接结构工艺性研究）这篇论文开始，是由我的导师-----林报钦老师指导完成的。
从论文的目录确定到内容的选取的方向直至最后的修改完成，都是由林报钦老师在一旁耐心指导而成，这篇论文的完成有林报钦老师一半的功劳。
在此，我向林报钦老师表示由衷的感谢和诚挚的谢意。
在这我向我在克拉玛依职业技术学院里教导过我们的每一位老师表示感谢，这三年的大学生涯让我受益匪浅，我感受到了同学的友情，老师的关怀，和学校的教导。
这三年的时光转瞬即逝，我将铭记这包含了我美丽时光的三年。
最后，我要感谢我的家人、朋友，如果没有你们在我身边帮助我，关心我，那么我将不会是现在这个我。
在此，我要对你们说：
谢谢。
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