第一节焊接变形的估算

第一节　焊接变形的估算

一、对接接头横向收缩变形的估算

如果在焊接结构生产的备料过程中没有考虑到这种收缩变形，那么焊后结构尺寸会变小，严重时甚至会造成结构尺寸的缩小大大超过公差允许范围而报废，这说明在生产时必须注意焊接收缩量的问题，也就是在焊前必须放出焊后的收缩余量，但问题却在于这个余量数值如何确定。放出过多的余量也会使结构尺寸超差，严重时也就可能使产品报废；在零部件焊接时，为了在焊后割去多余的余量就要增加工序、劳动量和浪费材料。采取计算方法确定余量是困难的，也是不准确的。在成批生产的情况下，一般是结合工厂的具体条件，在试制过程中对结构的焊后收缩进行实际测量，找出规律，然后定出余量数值。

实际生产中有不少用来估算横向收缩变形的公式，这些公式多数是根据经验资料导出的。

1.一般计算公式

在自由状态下的接头横向收缩，可以近似地看做是基本金属的热收缩。假设焊接热影响区的宽度为B，温升为ΔT（热影响区最低温度与初始温度之差），则热影响区的横向收缩量ΔB可用下式计算：

ΔB=α·ΔT·B，其中α为热膨胀系数。

已知单位时间内焊接热输入为q（cal/s），焊接热源的移动速度为v（cm/s），材料的比热为c，宽度为B的热影响区的单位长度的质量为m，则其温升ΔT为：

则，对于金属材料的密度为ρ（g/cm³）、板厚为t（mm）的焊件，热影响区金属的质量为m=ρ·t·B，因此，最终对接焊缝横向收缩量的表达式为：

实际上，焊接接头并非处于完全自由状态，所以计算出来的横向收缩量可能稍大于实际收缩量。

2.不同根部间隙时

焊缝断面面积与板厚比值及横向收缩值的工程计算公式为：

式中ΔB——横向收缩值，mm；

　　A_w——焊缝横截面积，mm；

　　t——板厚，mm。

上式仅适用于根部间隙为2mm的对接接头。

3.开坡口留间隙的自动埋弧焊时

板厚为10～12mm，开坡口、留间隙的自动埋弧焊时，焊接接头横向收缩的工程计算公式为：

ΔB=0.43+0.0026A_f（mm）

式中A_f——板厚范围内焊缝断面面积，mm²。

其横向收缩量也可根据焊接规范参数计算：

式中　I——焊接电流，A；

　　　U——焊接电压，V；

　　　v——焊接速度，cm/min。

4.Capel公式

Capel公式如下：

式中　ΔB——横向收缩值，mm；

　　　s——焊缝金属的厚度，mm；

　　　v——焊接速度，cm/min；

　　　I——焊接电流，A；

　　　U——焊接电压，V。

5.铝合金TIG焊时

横向收缩量采用下式计算：

式中　ΔB——横向收缩量，mm；

　　　t——板厚，mm。

6.1Cr18Ni9不锈钢对接时

不锈钢对接接头的横向收缩值与板宽有很大关系，一般来说，当板宽≥300mm时，可以采用下列公式进行估算：

式中　A——焊缝截面面积，mm²；

　　　t——板厚，mm；

　　　b——间隙，mm；

　　　λ₁——板材截面传热系数；

　　　λ₂——焊缝传热系数。

7.铝镁合金MIG焊时

铝镁合金对接接头横向收缩量比较大，这是因为铝镁合金的膨胀系数比较大，其相应的工程估算公式为：

或采用下式进行估算：

ΔB=0.14+0.0126A_f（mm）

式中　I——焊接电流，A；

　　　U——焊接电压，V；

　　　v——焊接速度，cm/min；

　　　A_f——板厚范围内焊缝断面面积，mm²。

二、角焊缝的横向收缩量的估算

与对接焊缝相比，角焊缝的横向收缩量较小，简单的计算公式如下。

1.两个连续角焊缝的T形接头

2.间断焊缝T形接头

3.搭接接头角焊缝（两个角焊缝）

在T形接头中，当腹板厚度和焊脚尺寸不变时，单独改变水平板的厚度之后，随着水平板（翼板）厚度的增加，横向收缩量减小。

除上述估算公式外，还有许多经验数据可供实际应用参考，在实际生产中，横向收缩量一般以每条焊缝收缩多少毫米来计算。

焊条电弧焊时，各种焊缝横向收缩的近似值见表4-1。从表4-1可以看出，横向收缩量与板厚（熔敷金属量或焊缝截面面积）有关。随着板厚的增加，横向收缩量也随之增大；角焊缝的横向收缩小于对接焊缝的横向收缩；断续焊缝的横向收缩量小于连续焊缝的收缩量，但断续焊缝的横截面积尺寸不应大于连续焊缝的截面尺寸。多层焊时，第一层所引起的收缩量最大，第二层增加收缩量大约为第一层收缩量的20%，第三层增加5%～10%，最后一层增加最少。

表4-1　焊缝横向收缩近似值

续表

三、纵向收缩变形的估算

当构件的截面较大时，存在着纵向收缩单位体积V和焊接线能量q_v之间的直线比例关系，即

V=3.6×10^-6q_v

则单条焊缝纵向焊接变形的计算式：

Δl=3.6×10^-6q_v/F

式中　Δl——构件截面重心纤维的单位纵向缩短；

　　　q_v——焊接线能量；

　　　F——构件横截面积。

纵向收缩体积的重心，通常近似取在焊缝中心。对于大多数造船用的T形构件，则一般取在板列（面板）的内表面上。

对于焊缝长度为L的构件，其总的纵向缩短ΔL由下式计算：

ΔL=Δ·L

以上计算适合于长与宽之比，较大的各种类型截面的构件，对于两面各有一条角焊缝的T形梁的纵向变形，由于两条角焊缝产生的塑性变形区大部分重叠，所以实际应用上q_v可以用一条角焊缝的线能量，再乘以系数1.15即可。

对于一些钢制细长的焊接构件，如焊接梁、柱等构件的纵向收缩量，可通过下述公式进行初步估算：

式中　A_w——焊缝横截面积，mm²；

　　　F——构件横截面积，mm²；

　　　ΔL——纵向收缩量，mm；

　　　L——焊缝的长度，mm。

　　　k₁——系数，与焊接方法和材料有关，见表4-2。

表4-2　k₁值的选取

奥氏体钢的热膨胀系数大于低碳钢，所以纵向变形也比低碳钢大，因此，表中奥氏体钢的k₁值比低碳钢的大。

当采用多层焊时，纵向收缩量的计算是将上式中A_w改为一层焊缝金属的横截面面积，并将计算得到的纵向收缩量再乘以系数k₂即可，k₂可由下式计算：

k₂=1+85ε_sn

式中

　　n——层数。对于两面有角焊缝的T形接头的构件，由收缩量公式计算得到的收缩量乘以1.15～1.4即得该构件的纵向收缩量。但要注意，式中的A_w值是指一条角焊缝的横截面面积。

例如，有一低碳钢工字形构件（图4-5），长5m，腹板高250mm，腹板厚10mm，翼板宽250mm，厚12mm，由四条角焊缝焊成，每条角焊缝均采用埋弧自动焊一次焊完，焊脚K=8mm。要求估算工字形构件的纵向收缩量。

图4-5　工字梁的断面尺寸图

每条角焊缝的横截面面积：

构件横截面面积：F=（2×250×12）+（250×10）=8500（mm²）

由四条角焊缝组成的工字形焊件纵向收缩量相当于一对双面角焊缝的T形构件的纵向收缩量，而双面角焊缝T形接头纵向收缩量又是单面角焊缝的纵向收缩量的1.15～1.4倍，这是因为双面角焊缝所产生的塑性变形区基本上是重叠的，故取1.15倍。如果系数k₁取0.073，则该工字形焊件的纵向收缩量由下式求得：

此外，还可通过下面公式估算对接焊缝的纵向收缩量：

式中　I——焊接电流，A；

　　　L——焊缝长度，mm；

　　　t——板厚，mm。

例如，当板厚为6.2mm，焊接电流为250A时，ΔL≈0.001L。这表明对接接头的纵向收缩量大约为焊缝长度的1/1000，显然要比横向收缩量小得多。

在实际生产中，常以每米长的焊缝收缩多少毫米的纵向变形量（收缩率）来表达。通常，随着焊接工件横截面积的增大，对接接头的纵向收缩变形急剧下降，但焊缝纵向收缩量随着焊缝长度的增加而增加。

表4-3是不同接头形式的焊缝纵向收缩量参考。

表4-3　焊缝纵向收缩量参考

四、角变形的估算

1.对接焊缝角变形的数据与估算

板厚8～40mm对接接头的焊条电弧焊角变形数值如图4-6所示。采用焊条电弧焊焊接对接接头，然后反面刨焊根再焊，这一过程中对接接头角变形变化如图4-7所示。

图4-7　气刨焊根后再焊过程的角变形变化

图4-6　对接接头焊条电弧焊角变形

表4-4为低碳钢板在自由状态下对接焊后所测得的角变形。

表4-4　对接接头角变形

从表中数据可以看出，对接焊缝的角变形，不仅与坡口形状和焊缝截面形状有关，而且还与焊接方式有关。

此外，还可利用数学公式对对接接头的角变形进行估算。假设对接焊缝的角变形β只与焊接熔合区的形状及尺寸有关，如图4-8所示。

在自由状态下焊接，角变形的计算公式可根据简单的几何关系

求得：

由于，代入上式中得到：

续表

图4-8　对接焊缝角变形与焊缝熔合区的几何关系

式中　θ——坡口角度；

　　　α——膨胀系数；

　　　ΔT——焊接温升。

当ΔT≤1000℃时，实测结果与上式计算结果基本相近。对于低碳钢而言，。

以V形坡口为例，当θ=60°～70°时，角变形的近似值为：

但应注意的是该公式忽略了板厚对角变形的影响，所以它只适用于薄板角变形计算。V形厚板对接接头角变形比计算值要大。

2.角焊缝的角变形数值的估算

不同接头类型及焊道次数的角变形数值如表4-5所示，图中a为焊喉尺寸（即等腰直角三角形斜边的高）。

表4-5　不同接头类型的角变形数值

T形接头的角变形Δβ数值与焊喉尺寸a与水平板的厚度t的比值有关，见表4-6。

表4-6　a/t与Δβ的关系

此外，一些可供参考的经验数据见表4-7。

表4-7中厚板T形接头角变形量

另外，也可用计算法对角变形采用下式进行估算：

式中　I——焊接电流，A；

　　　v——焊接速度，cm/s；

　　　t——板厚，cm。

式中C₁、C₂和m是由使用焊条类型所确定的系数。例如钛铁矿型焊条的C₁、C₂和m值为：C₁=0.0885×10^-3；C₂=0.0885×10^-3；m=1.5。

五、纵向弯曲变形的估算

弯曲变形的大小以挠度f值来度量。f是指焊后的中心轴偏离原焊件中心轴的最大距离，如图4-9所示。

图4-9　弯曲变形的量度

1.钢制焊件纵向弯曲挠度

单道焊缝产生的挠度为：

式中　e——焊缝轴线到焊件中性轴之间的距离，cm；

　　　L——焊缝长度，cm；

　　　A_w——焊缝横截面积，cm²；

　　　I——焊件截面的转动惯量，cm⁴；

　　　k₁——系数，可由表4-2查得。

多层焊和双面角焊缝应乘以与纵向收缩计算中相同的系数k₂，具体参见纵向收缩变形部分。

2.一般结构钢焊制的焊件

对于一般结构钢焊制的焊件，其纵向弯曲挠度的计算公式为：

式中　A——焊缝熔合区（焊缝和熔化母材）的横截面积，cm²；

　　　I——焊件的转动惯量，cm²；

　　　L——焊缝的长度，cm；

　　　e——焊缝轴线到焊件中性轴之间的距离，cm。

3.经验数据

在生产中纵向弯曲变形通常以短边侧每米长度上的收缩量（单位为mm）为计算单位。表4-8为三种常见断面梁的纵向弯曲变形经验数据。

表4-8　纵向弯曲变形的经验数据（每米长度上的纵向收缩量，mm）

4.由焊缝横向收缩引起的弯曲变形值可按下式估算

式中　L——焊缝长度，mm；

　　　b——板材宽度，mm；

　　　Δb——横向收缩量，mm。