对根焊焊接变形因素的改进

1、摘要目前，我国正经历着一个管道建设的高峰期，随着工业技术的发展，长输油气管道正在向着大口径发展，焊接是管道施工过程中的关键工序，焊接的质量和效率直接影响着整个工程的质量和效率。在焊接过程中由于急剧的非平衡加热及冷却,结构将不可避免地产生不可忽视的焊接残余变形。焊接残余变形是影响结构设计完整性、制造工艺合理性和结构使用可靠性的关键因素。本文将对焊接过程当中残余变形产生的原因和影响因素及其控制与改进措施做详细的阐述。关键字：焊接；残余变形；改进措施ABSTRACT At present, China is going through a pipeline construction peak, wi

2、th industrial technology development, the long oil and gas pipelines is moving towards the development of large diameter, welding is the key process pipeline construction process, the welding quality and efficiency directly influences the whole engineering quality and efficiency. In the welding proc

3、ess due to unbalanced heating and rapid cooling, structure will inevitably produce overlooked welding residual deformation. Welding residual deformation is affecting the structure design integrity, manufacturing technology rationality and structure the reliability of key factors used. This paper wil

4、l in the process of welding residual deformation causes and influencing factors and control and improvement measures for detailed elaboration. Key word: welding; Residual deformation; Improvement measures 目录前言5第一章焊接应力与变形61.1焊接应力与变形的产生61.1.1焊接应力与变形的基本知识61.1.2焊接应力与变形的基本假定71.1.3焊接应力与变形产生的原因8第二章 对根焊的认识1

5、02.1几种常用的根焊焊接工艺112.1.1手工电弧向上焊112.1.2手工向下焊工艺112.1.3半自动焊根焊112.1.4自动焊根焊122.2根焊的应用13第三章 管材根焊的变形因素分析143.1焊接变形的影响因素143.1.1材料因素的影响143.1.2结构因素的影响143.1.3工艺因素的影响153.1.4焊缝截面积的影响153.1.5焊接热输入的影响153.1.6焊接方法的影响153.1.7接头形式的影响163.1.8焊接层数的影响16第四章 对焊接变形因素的控制174.1设计措施174.1.1对焊缝位置合理安排174.1.2减少不必要的焊缝174.1.3对焊接的尺寸和形式进行合理选

6、择174.2工艺措施184.2.1焊前预防措施184.2.2焊接过程控制措施184.2.3焊后矫正措施194.2.4焊接应力的控制措施194.2.5对以上工艺措施细节的控制214.3对以上控制措施的分析22第五章 改进方案的可行性探究235.1施工案例235.2改进方案的可行性探究235.2.1设计措施改进的可行性探究235.2.2工艺措施改进的可行性探究23第六章 结论24致谢25参考文献26前言长输管道作为远距离油气输送的主要方式，随着我国能源工业的发展和能源结构的调整，管道工程建设迅猛发展。截止2003年底，输油气管道累计长度45865Km，居世界第六位；其中原油管道15915 Km、天

7、然气管道21299 Km、成品油管道6525 Km、海底管道2126 Km。“西气东输”、“冀宁联络线”、“陕京二线”、“西部管道”等国内大型管道工程相继建成投产或即将完工，跨国管道“中哈管线”也即将完工，与俄罗斯及邻国、中亚等国的管线建设一直都在紧张筹划中。据国家规划，至2020年，我国油气输送管道基本形成分布合理、联络成网、互相调配、安全可靠、覆盖全国主要区域的油气管网，满足社会经济发展和人民生活需要。为了增加管道输送量和降低工程成本、满足越来越苛刻的使用条件要求，大口径、耐高压、薄壁化的高强韧性管线钢是发展趋势。国产高强X70管线钢在“西气东输”工程中全面使用，X80目前仅在冀宁管道上成

8、功试用。德国、加拿大等欧美国家已经在陆地和海洋建设了很多X80管线；加拿大Trans Canada管道公司2002年完成了1km的1219mm14.3mm的X100钢管试验段，Exxon Mobil公司于2004年在加拿大建成了X120钢管的1.6km试验段。管道施工中的环焊部位是失效事故的多发位置，管道焊接技术是施工中必须确保的关键技术，不仅直接关系到工程的焊接质量、施工效率和成本，而且对管线运行期间的安全可靠性和经济效益也有重要影响。因此，开展管道工程的焊接技术研究，提高焊接技术水平，是现代优质、高效施工的必然要求。本方案在对焊接过程中存在的变形因素进行了较为深入的分析与研究之后，从多方面

9、、多角度对这些因素进行了控制与改进。第一章 焊接应力与变形焊接时，由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。焊接应力是引起脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂和失稳破坏的主要原因。另外，焊接变形也使结构的形状和尺寸精度难以达到技术要求，直接影响结构的制造质量和使用性能。因此，本章主要讨论焊接应力与变形的基本概念及其产生原因；焊接变形的种类，控制焊接变形的工艺措施和焊后如何矫正焊接变形；焊接应力的分布规律，降低焊接应力的工艺措施和焊后如何消除焊接残余应力。1.1焊接应力与变形的产生 1.1.1焊接应力与变形的基本知识（1）变形 物体在外力或温度等因素的作用下

10、，其形状和尺寸发生变化，这种变化称为物体的变形。当使物体产生变形的外力或其它因素去除后变形也随之消失，物体可恢复原状，这样的变形称为弹性变形。当外力或其它因素去除后变形仍然存在，物体不能恢复原状，这样的变形称为塑性变形。物体的变形还可按拘束条件分为自由变形和非自由变形。在非自由变形中，有外观变形和内部变形两种。以一根金属杆的变形为例，当温度为T0时，其长度为L0，均匀加热，温度上升到T时，如果金属杆不受阻，杆的长度会增加至L，其长度的改变LT=L- L0，LT就是自由变形，见图1-la。如果金属杆件的伸长受阻，则变形量不能完全表现出来，就是非自由变形。其中，把能表现出来的这部分变形称为外观变形

11、，用Le表示；而未表现出的变形称为内部变形，用L表示。在数值上，L=LT-Le，见图1-lb。单位长度的变形量称为变形率，自由变形率用T表示，其数学表达式为： T=LT/L0=(T-T0) （1-1）式中 金属的线膨胀系数，它的数值随材料及温度而变化。外观变形率e，可用下式表示： e=Le/L0 同样，内部变形率用下式表示： =L/L0 （2）应力存在于物体内部的、对外力作用或其它因素引起物体变形所产生的抵抗力，叫做内力。另外，在物理、化学或物理化学变化过程中，如温度、金相组织或化学成分等变化时，在物体内也会产生内力。物体单位截面积上的内力叫做应力。根据引起内力原因不同，可将应力分为工作应力和

12、内应力。工作应力是由外力作用于物体而引起的应力；内应力是由物体的化学成分、金相组织及温度等因素变化，造成物体内部的不均匀性变形而引起的应力。内应力存在于许多工程结构中，如铆接结构、铸造结构、焊接结构等。焊接应力就是一种内应力。内应力的显著特点是，在物体内部，内应力是自成平衡的，形成一个平衡力系。（3）焊接应力与焊接变形 焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。由焊接而引起的焊件尺寸的改变称为焊接变形。1.1.2焊接应力与变形的基本假定 金属在焊接过程中，其物理性能和力学性能都会发生变化，给焊接应力的认识和确定带来了很大的困难，为了后面分析问题方便，对金属材料焊接应力与变形作

13、以下假定：（1）平截面假定 假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。即构件只发生伸长、缩短、弯曲，其横截面只发生平移或偏转，永远保持平面。（2）金属性质不变的假定 假定在焊接过程中材料的某些热物理性质，如线膨胀系数()、热容(c)、热导率()等均不随温度而变化。（3）金属屈服强度假定 为了讨论问题的方便，我们将它简化为图中虚线所示。即在500以下，屈服强度与常温下相同，不随温度而变化；500至600之间，屈服强度迅速下降；600以上时呈全塑性状态，即屈服强度为零。我们把材料的屈服强度为零时的温度称为塑性温度。（4）焊接温度场假定 通常将焊接过程中的某一瞬间，焊接接头中各点的温度分布称为温度场

14、。在焊接热源作用下构件上各点的温度在不断地变化，可以认为达到某一极限热状态时，温度场不再改变，这时的温度场称为极限温度场。1.1.3焊接应力与变形产生的原因 产生焊接应力与变形的因素很多，其中最根本的原因是焊件受热不均匀，其次是由于焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件的刚性不同所致。另外，焊缝在焊接结构中的位置、装配焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力与变形也有一定的影响，下面着重介绍几个主要因素。1.焊件的不均匀受热焊件的焊接是一个局部的加热过程，焊件上的温度分布极不均匀，为了便于了解不均匀受热时应力与变形的产生，下面对不同条件下的应力与变形进行讨论。 (1)不受约束的杆件在均

15、匀加热时的应力与变形 根据前面对变形知识的讨论，不受约束的杆件在均匀加热与冷却时，其变形属于自由变形，因此在杆件加热过程中不会产生任何内应力，冷却后也不会有任何残余应力和残余变形。 (2)受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形 根据前面对非自由变形情况的讨论，受约束的杆件的变形属于非自由变形，既存在外观变形，也存在内部变形。如果加热温度较低（TTs），则杆件中产生压缩塑性变形，内部变形由弹性变形和塑性变形两部分组成，甚至全部由塑性变形组成（T600）。当温度恢复到原始温度时，弹性变形恢复，塑性变形不可恢复，可能出现以下三种情况：a.如果杆件能充分自由收缩，那么杆件中只出现残余变形而无残余应力；b

16、.如果杆件受绝对拘束，那么杆件中没有残余变形而存在较大的残余应力；c.如果杆件收缩不充分，那么杆件中既有残余应力又有残余变形。 实际生产中的焊件，就与上述的第三种情况相同，焊后既有焊接应力存在，又有焊接变形产生。(3)长板条中心加热（类似于堆焊）引起的应力与变形 如图1-3a所示的长度为L0，厚度为的长板条，材料为低碳钢，在其中间沿长度方向上进行加热，为简化讨论，我们将板条上的温度分为两种，中间为高温区，其温度均匀一致；两边为低温区，其温度也均匀一致。 加热时，如果板条的高温区与低温区是可分离的，高温区将伸长，低温区不变，如图1-3b,但实际上板条是一个整体，所以板条将整体伸长，此时高温区内产

17、生较大的压缩塑性变形和压缩弹性变形。 冷却时，由于压缩塑性变形不可恢复，所以，如果高温区与低温区是可分离的，高温区应缩短，低温区应恢复原长。但实际上板条是一个整体，所以板条将整体缩短，这就是板条的残余变形。同时在板条内部也产生了残余应力，中间高温区为拉应力，两侧低温区为压应力。 (4)长板条一侧加热（相当于板边堆焊）引起的应力与变形，材质均匀的钢板，在其上边缘快速加热。假设钢板由许多互不相连的窄条组成，则各窄条在加热时将按温度高低而伸长。但实际上，板条是一整体，各板条之间是互相牵连、互相影响的，上一部分金属因受下一部分金属的阻碍作用而不能自由伸长，因此产生了压缩塑性变形。由于钢板上的温度分布是

18、自上而下逐渐降低，因此，钢板产生了向下的弯曲变形。钢板冷却后，但实际上钢板是一个整体，上一部分金属要受到下一部分的阻碍而不能自由收缩，所以钢板产生了与加热时相反的残余弯曲变形。 由上述讨论可知：1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形，冷却后，构件必然有残余应力和残余变形。2）通常，焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反。3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。如果这种收缩能充分进行，则焊接残余变形大，焊接残余应力小；若这种收缩不能充分进行，则焊接残余变形小而焊接残余变形大。4）焊接过程中及

19、焊接结束后，焊件中的应力分布都是不均匀的。焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力。2.焊缝金属的收缩焊缝金属冷却时，当它由液态转为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的，因此，焊缝金属并不能自由收缩。这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中引起残余应力。另外，一条焊缝是逐步形成的，焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩，由此也会产生焊接应力与变形。 3.金属组织的变化钢在加热及冷却过程中发生相变，可得到不同的组织，这些组织的比容也不一样，由此也会造成焊接应力与变形。4.焊件的刚性和拘束焊件的刚性和拘束对焊接应力和变形也有较大的影响。刚性是指焊件抵抗变形的能力；而拘束是焊

20、件周围物体对焊件变形的约束。刚性是焊件本身的性能，它与焊件材质、焊件截面形状和尺寸等有关；而拘束是一种外部条件。焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小，焊接应力越大；反之，焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大，而焊接应力越小。第二章 对根焊的认识为了把影响焊接变形因素的分析具体化，我们从管道焊接中最为基础的根焊环节引入对焊接变形影响因素的分析与改进。2.1几种常用的根焊焊接工艺2.1.1手工电弧向上焊手工电弧向上焊是我国在20世纪70年代普遍采用的根焊工艺，受到当时工业水平限制，不具备大口径油气管道的生产能力，当时最大的油气管道直径为720mm。在当时的条件下焊接难

21、度非常大，根焊通常是由最优秀的焊工施焊，否则很难获得合格的焊缝。目前手工电弧向上焊已经在大口径的管道施工中被淘汰，只在城市燃气等小口径，短距离油气管道施工中还有应用。2.1.2手工向下焊工艺采用手工向下焊工艺焊条可以分为两类：一类是高纤维素型的，这类焊条焊接工艺性好，焊接过程中可以采用大电流快速焊接，在各种位置单面焊双面成型效果好，非常适合于根焊和热焊，具有代表性的是奥地利伯乐公司生产的BOHLER FOX CEL(AWS A5.1-91 E6010）和美国林肯公司生产的FLEETWELD 5P+（AWS A5.1-91 E6010）。另一类是铁粉低氢型下向焊条，该焊条铁水流动性和浸润性好、全

22、位置焊时不易下淌、焊后焊缝金属韧性好、抗裂性好，适于各层的下向焊接，有代表性的如奥地利伯乐公司生产的BOHLER FOX BVD 85（AWS A5.5-96 E8018-G）焊条、美国林肯公司生产的LINCOLN LH D80（AWS A5.5-96 E8018-G）焊条。手工向下焊与手工电弧焊相比具有焊接速度快、焊接质量高、适应性强等优点，但是在追求高效焊接的管道施工中，此种焊接工艺已经被逐渐淘汰，只在管道维抢修和管道连头时应用。2.1.3半自动焊根焊半自动焊根焊主要是CO2气体保护半自动焊，属于下向焊方法。2.1.3.1CO2气体保护半自动焊具有典型代表的是美国林肯公司STT表面张力焊。

23、STT是一种以表面张力溶滴为过渡力的熔化极CO2气体保护电弧焊。STT表面张力焊非常适合管道的根焊，具有焊接速度快、背面成型好等优点。但STT对管口的组对质量要求高，受现场施工风的影响较大，影响焊接质量。我国在20世纪90年代成功的将STT表面张力焊运用到国内的某管道工程中。目前这种工艺已经成为我国陆地和海洋管道焊接的一种重要的焊接方法。2.1.3.2半自动焊工艺的坡口形式 半自动焊的坡口通常采用V型坡口和U型坡口如图1所示。2.1.4自动焊根焊自动焊根焊方法采用自动内焊机或外焊机单面焊双面成型。2.1.4.1利用内焊机进行根焊 管道内环缝自动焊机是输油输气管道焊接工程的专用设备，它主要被用来

24、完成对口和内部根焊，中国石油管道科学研究院研制的PIW48内焊机平均分布8个焊接单元，以1219mm17.4mm为例,一道口从对口到根焊平均时间为3分钟左右。管道内环缝自动焊机具有自动化程度高和焊接质量好以及大幅度提高焊接效率的基本特点，是实现管道高效率焊接的必备的专用设备。内焊机进行根焊的坡口形式内焊机进行根焊采用的坡口形式为复合坡口，如图2所示。 2.1.4.2自动外焊机单面焊双面成型根焊意大利PWT公司生产的CWS.02NRT单面焊双面成型解决了不用背面衬垫的单面焊双面成型的根焊问题，根焊厚度可以达到45毫米，能够焊接的的坡口宽度较大，且易于实现5度8度小坡口角度的焊接操作，焊接效率较快

25、，1219mm的钢管根焊大约需要10min左右。由于采用气体保护，焊接过程中对环境风速比较敏感，施工过程中需要配备防风棚等防风措施。随着我国管道建设快速发展，全自动焊根焊工艺得到了迅猛的发展，现在已经成为了大口径管道焊接根焊的趋势。2.2根焊的应用前面介绍了国内管道焊接中根焊的常用焊接工艺，随着工业技术的不断提高，管道建设越来越趋于向长距离，高工作压力，大口径、厚壁化方向发展，这就需要研发高质量的和高效率的焊接方法与之匹配。这对于提高我国管道施工的技术水平和提升市场竞争力甚至我国的能源安全都有着重要的意义。第三章 管材根焊的变形因素分析管道的根焊通常采用熔化焊方法,是在接头处局部加热,使被焊接

26、材料与添加的焊接材料熔化成液体金属,形成熔池,随后冷却凝固成固态金属,使原来分开的钢材连接成整体。由于焊接加热,融合线以外的母材产生膨胀,接着冷却,熔池金属和熔合线附近母材产生收缩,因加热、冷却这种热变化在局部范围急速地进行,膨胀和收缩变形均受到拘束而产生塑性变形。这样,在焊接完成并冷却至常温后该塑性变形残留下来。3.1焊接变形的影响因素 根焊的焊接变形可以分为在焊接热过程中发生的瞬态热变形和在室温条件下的残余变形。全面分析各因素对根焊焊接变形的影响，掌握其影响规律，即可采取合理的控制措施。3.1.1材料因素的影响 材料对于根焊焊接变形的影响不仅和焊接材料有关,而且和母材也有关系,材料的热物理

27、性能参数和力学性能参数都对焊接变形的产生过程有重要的影响。其中热物理性能参数的影响主要体现在热传导系数上,一般热传导系数越小,温度梯度越大,焊接变形越显著。力学性能对焊接变形的影响比较复杂,热膨胀系数的影响最为明显,随着热膨胀系数的增加焊接变形相应增加。同时材料在高温区的屈服极限和弹性模量及其随温度的变化率也起着十分重要的作用,一般情况下,随着弹性模量的增大,焊接变形随之减少而较高的屈服极限会引起较高的残余应力,焊接结构存储的变形能量也会因此而增大,从而可能促使脆性断裂,此外,由于塑性应变较小且塑性区范围不大,因而焊接变形得以减少。 3.1.2结构因素的影响焊接结构的设计对根焊焊接变形的影响最

28、关键,也是最复杂的因素。其总体原则是随拘束度的增加,焊接残余应力增加,而焊接变形则相应减少。结构在焊接变形过程中,工件本身的拘束度是不断变化着的,因此自身为变拘束结构,同时还受到外加拘束的影响。一般情况下复杂结构自身的拘束作用在焊接过程中占据主导地位,而结构本身在焊接过程中的拘束度变化情况随结构复杂程度的增加而增加,在设计焊接结构时,常需要采用筋板或加强板来提高结构的稳定性和刚性,这样做不但增加了装配和焊接工作量,而且在某些区域,如筋板、加强板等,拘束度发生较大的变化,给焊接变形分析与控制带来了一定的难度。因此,在结构设计时针对结构板的厚度及筋板或加强筋的位置数量等进行优化,对减小焊接变形有着

29、十分重要的作用。3.1.3工艺因素的影响焊接工艺对根焊焊接变形的影响方面很多,例如焊接方法、焊接输入电流电压量、构件的定位或固定方法、焊接顺序、焊接胎架及夹具的应用等。在各种工艺因素中,焊接顺序对根焊焊接变形的影响较为显著,一般情况下,改变焊接顺序可以改变残余应力的分布及应力状态,减少根焊焊接变形。多层焊以及焊接工艺参数也对焊接变形有十分重要的影响。焊接工作者在长期研究中,总结出一些经验,利用特殊的工艺规范和措施,达到减少焊接残余应力和变形,改善残余应力分布状态的目的。3.1.4焊缝截面积的影响焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝面积对纵向、

30、横向及角变形的影响趋势是一致的，而且是起主要的影响，因此，在板厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。3.1.5焊接热输入的影响一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大。3.1.6焊接方法的影响多种焊接方法的热输入差别较大，在建筑钢结构焊接常用的几种焊接方法中，除电渣以外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝断面积等相同情况下，收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。3.1.7接头形式的影响在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方面等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。1)表面堆焊时，焊缝金属

31、的横向变形不但受到纵横向母材的约束，而且加热只限于工件表面一定深度而使焊缝的收缩同时受到板厚、深度、母材方面的约束，因此，变形相对较小。2)T形角接接头和搭接接头时，其焊缝横向收缩情况与堆焊相似，其横向收缩值与角焊缝面积成正比，与板厚成反比。3)对接接头在单道(层)焊的情况下，其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大，在单面焊时坡口角度大，板厚上、下收缩量差别大，因而角变形较大。双面焊时情况有所不同，随着坡口角度和间隙的减小，横向收缩减小，同时角变形也减小。3.1.8焊接层数的影响1)横向收缩：在对接接头多层焊接时，第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律，第一层以后相当于无间隙对接焊，接近于盖

32、面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似，因此，收缩变形相对较小。2)纵向收缩：多层焊接时，每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入小得多，加热范围窄，冷却快，产生的收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束，因此，多层焊时的纵向收缩变形比单层焊时小得多，而且焊的层数越多，纵向变形越小。 第四章 对焊接变形因素的控制 在工程焊接实践中，由于各种条件因素的综合作用，焊接残余变形的规律比较复杂，了解各因素单独作用的影响便于对工程具体情况做具体的综合分析。所以，了解焊接变形产生的原因和影响因素，则可以采取以下控制变形的措施：4.1设计措施4.1.1对焊缝位置合理安排 在设计焊接结构时,安排

33、焊缝尽可能对称于截面中性轴,或者使焊缝接近中性轴,这对于减少梁、柱等类型结构的挠曲变形有良好的效果。4.1.2减少不必要的焊缝在设计焊接结构时,合理地选择筋板的形状,适当地安排筋板的位置,力求焊缝数量少,避免不必要的焊缝,从而减小根焊焊接变形。4.1.3对焊接的尺寸和形式进行合理选择 焊接尺寸直接关系到焊接工作量和根焊焊接变形的大小。焊缝尺寸大,不但焊接量大,而且焊接变形也大,因此,在保证结构的承载能力的条件下,设计时应尽量采用较小的焊缝尺寸。对于受力较大的丁字接头和十字接头,在保证相同的强度条件下,采用开坡口的焊缝可以比一般角焊缝减少焊缝金属,对减小变形有利。4.2工艺措施 工艺措施是指在焊

34、接构件生产制造过程中所采用的一系列措施,将其分为焊前预防措施、焊接过程中的控制措施和焊后矫正措施。 4.2.1焊前预防措施 焊前预防主要包括预防变形、预拉伸法和刚性固定组装法。 预变性法或称反变形法是根据预测的焊接变形大小和方向,在待焊工件装配时造成与焊接残余变形大小相当、方向相反的预变形量(反变形量),焊后焊接残余变形抵消了预变形量,使构件恢复到设计要求的几何形状和尺寸。 预拉伸法多用于薄板平面构件,焊接时在薄板有预张力或有预先热膨胀量的情况下进行的。焊后,去除预拉伸或加热,薄板恢复初始状态,可有效地降低焊接残余应力,控制焊接变形。预热的作用在于减小温度梯度,不同的预热温度在降低残余应力的作

35、用方面有一定的差别,预热温度在300 400 时,在钢中残余应力水平降低了30 %50 %,当预热温度为200 时,残余应力水平降低了10 %20 %。 刚性固定组装法是采用夹具或刚性胎具将被焊构件尽可能地固定,可有效地控制待焊构件的角变形与弯曲变形等。 4.2.2焊接过程控制措施 焊接过程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接规范参数,选择合理的焊接顺序以及采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施。选择线能量较低的焊接方法以及合理地控制焊接规范参数可以有效地防止根焊焊接变形。采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施可以降低残余应力和减小焊接变形。采用随焊两侧加热,横向应变、纵向应

36、变和最大剪切应变的分布更加均匀,变化更加平缓,起到减小焊接残余应力和变形的作用。随焊碾压法由于设备复杂、使用不便等原因,在生产应用中受到一定的限制,但该方法在提高焊接变形等方面具有理想的效果。随焊激冷法能够显著地降低残余应力和减少焊接变形。 焊接顺序对焊接残余应力和变形的产生影响较大,在采用不同的焊接顺序时,可以改变残余应力的分布规律,但对残余应力整体幅值的降低作用不大,同时该方法对于控制焊接变形有较大的作用,尤其在多道焊中,作用更加明显。 4.2.3焊后矫正措施 当构件焊接后,只能通过矫正措施来减小或消除已发生的残余变形。焊后矫正措施主要分为加热矫正法和机械矫正法。加热矫正法又分为整体加热和

37、局部加热。 整体热矫正是指将整体构件加热至锻造温度以上再进行矫正的方法,可用以消除较大的形状偏差。但是焊后整体加热容易引起冶金方面的副作用,限制了该方法的进一步推广及应用。 局部热矫正多采用火焰对焊接构件局部加热,在高温处,材料的热膨胀受到构件本身刚性制约,产生局部压缩塑性变形,冷却后收缩,抵消了焊后部位的伸长变形,达到矫正目的,火焰加热法采用一般的气焊焊炬,不需要专门的设备,方法简便灵活,因此在生产上广为应用。 此外,还有利用机械力或冲击能等进行焊接变形矫正,包括静力加压矫直法、焊缝滚压法、锤击法等。 4.2.4焊接应力的控制措施 构件焊接时产生瞬时内应力，焊接后产生残余应力，并同时产生残余

38、变形，这是不可避免的现象。根焊焊接变形的矫正费时费工，构件制造和安装企业首先考虑的是控制变形，往往对控制残余应力较为忽视，常用一些卡具、支撑以增加刚性来控制变形，与此同时实际上增大了焊后的残余应力。对于一些本身刚性较大的构件，如板厚较大，截面本身的惯性矩较大时，虽然变形会较小，但却同时产生较大的内应力，甚至产生裂纹。因此，对于一些构件截面厚大，焊接节点复杂，拘束度大，钢材强度级别高，使用条件恶劣的重要结构要注意焊接应力的控制。控制应力的目标是降低其峰值使其均匀分布，其控制措施有以下几种：1)减小焊缝尺寸：焊接内应力由局部加热循环而引起，为此，在满足设计要求的条件下，不应加大焊缝尺寸和层高，要转

39、变焊缝越大越安全的观念。2)减小焊接拘束度：拘束度越大，焊接应力越大，首先应尽量使焊缝在较小拘束度下焊接，尽可能不用刚性固定的方法控制变形，以免增大焊接拘束度。3)采取合理的焊接顺序：在焊缝较多的组装条件下，应根据构件形状和焊缝的布置，采取先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝的原则。4)降低焊件刚度，创造自由收缩的条件。5)锤击法减小焊接残余应力：在每层焊道焊完后立即用圆头敲渣小锤或电动锤击工具均匀敲击焊缝金属，使其产生塑性延伸变形，并抵消焊缝冷却后承受的局部拉应力。但根部焊道、坡口内及盖面层与母材坡口面相邻的两侧焊道

40、不宜锤击，以免出现熔合线和近缝区的硬化或裂纹。高强度低合金钢，如屈服强度级别大于345MPa时，也不宜用锤击法消除焊接残余应力。6)采用抛丸机除锈：通过钢丸均匀敲打来抵消构件的焊接应力。综上所述，在施工过程中，一定要了解焊接工艺，采用合理的焊接方法和控制措施，以便减少和消除焊后残余应力和残余变形。在实践中不断总结、积累焊接经验，综合分析考虑的各种因素，可以保证工程中的焊接质量。 4.2.5对以上工艺措施细节的控制 在工程焊接实践中，由于各种条件因素的综合作用，焊接残余变形的规律比较复杂，了解各因素单独作用的影响便于对工程具体情况做具体的综合分析。所以，了解根焊焊接变形产生的原因和影响因素，则可

41、以采取以下控制变形的措施：1)减小焊缝截面积，在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下，尽可能采用较小的坡口尺寸(角度和间隙)。2)对屈服强度345MPA以下，淬硬性不强的钢材采用较小的热输入，尽可能不预热或适当降低预热、层间温度；优先采用热输入较小的焊接方法，如CO2气体保护焊。3)厚板焊接尽可能采用多层焊代替单层焊。4)在满足设计要求情况下，纵向加强肋和横向加强肋的焊接可采用间断焊接法。5)双面均可焊接操作时，要采用双面对称坡口，并在多层焊时采用与构件中和轴对称的焊接顺序。6)T形接头板厚较大时采用开坡口角对接焊缝。7)采用焊前反变形方法控制焊后的角变形。8)采用刚性夹具固定法控制焊后变形。9)

42、采用构件预留长度法补偿焊缝纵向收缩变形，如H形纵向焊缝每米长可预留0.5mm0.7mm。10)对于长构件的扭曲，主要靠提高板材平整度和构件组装精度，使坡口角度和间隙准确，电弧的指向或对中准确，以使焊缝角度变形和翼板及腹板纵向变形值与构件长度方向一致。11)在焊缝众多的构件组焊时或结构安装时，要采取合理的焊接顺序。12)设计上要尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理布置焊缝，除了要避免焊缝密集以外，还应使焊缝位置尽可能靠近构件的中和轴，并使焊缝的布置与构件中和轴相对称。4.3对以上控制措施的分析 整体分析上述根焊焊接变形的影响因素与减小根焊焊接变形的措施,基本了解根焊焊接变形的原因及变形的种类,针对焊接

43、变形的原因和控制措施从焊接工艺等方面进行改进,有效防止减少焊接变形所带来的危害。第五章 改进方案的可行性探究5.1施工案例川东北至川西输气管道工程东起川东北的普光首站，西至德新末站。是实现川东北普光气田、通南巴气田和川西几大气源和市场的连通和气源调配的大动脉。其中包括一条主干线和一条支线，全长430km。线路敷设过程多采用直径为1016的工艺管线组对焊接而成，焊接是其施工过程中的一道主要工序。焊接质量的好坏与所在地的环境条件，现场的施工条件，设备的先进程度，配备人员的操作水平等有着直接的关系，这里我们对影响焊接变形因素控制改进措施的可行性进行分析与研究，探讨其中的几个主要因素。5.2改进方案的可行性探究5.2.1设计措施改进的可行性探究安排