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1、铝及铝合金焊接结构,葛亚琼太原科技大学,变形铝合金,铝及铝合金,工业纯铝,铸造铝合金,非时效强化铝合金,时效强化铝合金,Al-Mn LF21,Al-Mg LF2,Al-Mg-Mn LF1,Al-Cu-Mg LY12,Al-Zn-Mg-Cu LC4,Al-Mg-Si LD1,新型铝合金 Al-Li,Al-Si系合金 ZL102,Al-Cu系合金 ZL201,Al-Mg系合金 ZL301,Al-Zn系合金 ZL401,一、铝及铝合金的分类,非热处理强化铝合金可通过加工硬化、固溶强化提高力学性能，特点是强度中等、塑性及耐蚀性好，又称防锈铝，焊接性良好，是焊接结构中应用最广的铝合金。热处理强化铝合金是
2、通过固溶、淬火、时效等工艺提高力学性能。经热处理后可显著提高抗拉强度，但焊接性较差，熔焊时产生焊接裂纹的倾向较大，焊接接头的力学性能下降。热处理强化铝合金包括硬铝、超硬铝、锻铝等。,常用的铝合金焊丝,4043（Al-Si）：用于Al-Si 和Al-Mg-Si系（6061、6082等）以及铸铝和锻铝合金之间的MIG和TIG焊。5356（Al-Mg-Si）：用于Al-Mg系（Mg5%）合金的MIG和TIG焊。,二、铝及铝合金的特点,活性强，在空气中容易形成Al2O3氧化膜Al2O3氧化膜密度3.95g/cm3，比铝大(2.7 g/cm3)Al2O3氧化膜吸水性强导热系数大线膨胀系数大,固体金属的表
3、面结构,在氧化膜之下是一层厚度约为1-2m厚的微晶组织，其下层是1-10m的变形层，这一层则是由于金属在成形加工（如压力加工）时所形成的晶粒变形的结构。,铝及其合金的化学活性很强，表面极易形成难熔氧化膜（Al2O3熔点约为2050，MgO熔点约为2500），加之铝及其合金导热性强，焊接时易造成不熔合现象。由于氧化膜密度与铝的密度接近，也易成为焊缝金属的夹杂物。氧化膜（特别是有MgO存在的不很致密的氧化膜）可吸收较多水分而成为焊缝气孔的重要原因至一。,三、铝及铝合金的焊接性分析,铝及其合金的线膨胀系数大，焊接时容易产生翘曲变形。这些都是焊接生产中颇感困难的问题。,气孔 铝是活性元素，本身能脱氧，
4、不象钢焊接过程中会形成CO或CO2气孔，所以主要是氢气孔。气孔的分布特征临近焊缝表层的“皮下气孔”焊缝中部或根部的“密集气孔”熔合区边界的“氧化膜气孔”,2.气孔的成因(1)焊接区内存在氢的来源(2)铝合金中氢的溶解度存在突变(3)导热系数大熔池结晶速度快(4)密度低,氢的来源,弧柱气氛,焊接材料吸附水分,母材吸附水分,气泡不易上浮,氢在铝中的溶解度,氢在铝合金的凝固点时从0.69突降到0.036ml/100g，相差约20倍，这是产生气孔的重要原因。,冷却速度很大时，在凝固点以上溶解度差形成的气孔虽然不多，但来不及逸出，形成粗大孤立的皮下气孔。,铝合金焊接中的“皮下气孔”（LF6，TIG）,铝
5、合金的焊接,冷却速度较小，在凝固点溶解度发生突变，沿结晶的层状线形成均布形式的“结晶层气孔”。,铝合金焊缝中均布形式的“结晶层气孔”（Al-Zn-Mg,TIG）,铝合金的焊接,3.焊缝气孔的影响因素,1）焊接方法的影响 MIG焊时，焊丝以细小熔滴形式向熔池过渡，弧柱温度高，熔滴比表面积大，熔滴易于吸氢；TIG焊时，主要是熔池金属表面与氢反应，比表面积小，熔池温度小于弧柱，吸氢条件不如MIG有利；另外，MIG焊熔池深度大于TIG焊，不利于氢气泡的逸出。,所以，在同样的气氛条件下，MIG焊时焊缝气孔倾向比TIG焊时大。,铝合金的焊接,2）极性的影响,TIG焊时，直流反接，具有阴极雾化作用，可以避免
6、氢的产生，但钨极易烧损，形成缺陷；正接时无阴极雾化作用，熔深大，对气泡逸出不利，所以采用交流。MIG焊时，采用直流反接，无阴极雾化作用，也没有钨极烧损。,3）焊接工艺参数,焊接规范主要影响熔池在高温的停留时间，从而对氢的溶入时间和析出时间产生影响。,TIG焊时，采用小线能量，采用较大的规范，高的焊速，减少熔池存在时间，减小氢的溶入；MIG焊时，焊丝氧化膜的影响更为显著，不能通过减少熔池时间来防止氢向熔池的溶入，所以通过降低焊速和提高焊接线能量来增大溶池存在时间，有利于减少焊缝中的气孔。,4）保护气体中的水分和氧化性影响,采用高纯Ar或采用Ar+He改变（即提高）热容量，改变溶池形状，使尖“V”
7、型变为圆底型，延长溶池停留时间，有利于气孔逸出；或者采用Ar+0.51%O2，Ar+25%CO2，增强保护气氛的氧化性，减少氢。,铝合金的焊接,5）表面状态的影响,不同的焊材、母材，其氧化膜性质不同，对气孔的影响有差别。MgO疏松，易吸水，产生气孔倾向大；MnO致密，不易吸水，气孔倾向小。,氧化膜中水分的影响 在正常的焊接条件下，对于气氛中的水分已严格限制，这时，焊丝或工件氧化膜中所吸附的水分将是生成焊缝气孔的主要原因。氧化膜不致密、吸水性强的铝合金（如Al-Mg合金），比氧化膜致密的纯铝具有更大的气孔倾向。MIG焊由于熔深大，坡口端部的氧化膜能迅速熔化，有利于氧化膜中水分的排除，氧化膜对焊缝
8、气孔的影响就小得多。,TIG焊时，在熔透不足的情况下，母材坡口根部未除净的氧化膜所吸附的水分是产生焊缝气孔的主要原因。这种氧化膜不仅提供了氢的来源，而且能使气泡聚集附着。刚形成熔池时，如果坡口附近的氧化膜未能完全熔化而残存下来，则氧化膜中水分因受热而分解出氢，并在氧化膜上萌生气泡；由于气泡是附着在残留氧化膜上，不易脱离浮出，且因气泡是在熔化早期形成的，有条件,长大，所以常造成集中的大气孔。这种气孔在焊缝根部未熔合时就更严重。坡口端部氧化膜引起的气孔，常沿着熔合区原坡口边缘分布，内壁呈氧化色，这是其重要特征。由于Al-Mg合金比纯铝更易于形成疏松而吸水性强的厚氧化膜，所以Al-Mg合金比纯铝更容
9、易产生这种集中的氧化膜气孔。因此，焊接铝镁合金时，焊前须仔细清除坡口端部的氧化膜。,母材氧化膜引起的气孔（LF6，TIG),6）环境因素的影响环境因素主要是指温度和湿度。,0C以下，湿度不影响气孔的产生；0C以上，温度越高，湿度越大，越易对气孔敏感。另外，表面油污也可以导致气孔。,4.气孔的防止减少氢的来源 a 对焊接材料干燥处理，降低气氛中的水分 使用的焊接材料（包括保护气体、焊丝、焊条等）要严格限制含水量，使用前需干燥处理。一般认为，氩气中的含水量小于0.08%时不易形成气孔。氩气的管路也要保持干燥。b 焊前清除焊丝及母材表面的氧化膜和污染物,焊前处理十分重要。焊丝及母材表面的氧化膜应彻底
10、清除，采用化学方法或机械方法均可，若两者并用效果更好。例如对铝合金母材化学清洗后，焊前可用细钢丝刷再全面刷一遍近缝区，并用刮刀刮削坡口端面和焊缝两侧20mm范围的母材；将坡口下端（根部)刮去一个倒角，成为倒V形小坡口（铲根，防止根部氧化膜引起的气孔）；装配时要防止再度弄脏。机械清理后表面氧化速度很快，应及时进行焊接。,图 清根对焊缝气孔的影响（Al-4Mg-1Mn，MIG）1未清根 2清根,(2)控制焊接工艺 焊接参数的影响可归结为对熔池在高温存在时间的影响，也就是对氢溶入时间和氢析出时间的影响。熔池高温存在时间增长，有利于氢的逸出，但也有利于氢的溶入；反之，熔池高温存在时间减少，可减少氢的溶
11、入，但也不利于氢的逸出。焊接参数不当时，如造成氢的溶入量多而又不利于逸出时，气孔倾向势必增大。,对于TIG焊参数的选择，一方面采用小热输入以减少熔池存在时间，从而减少气氛中氢的溶入，因而须适当提高焊接速度；同时又要保证根部熔合，以利根部氧化膜中的气泡浮出，又须适当增大焊接电流。,图 焊接工艺参数对气孔倾向的影响（5A06，TIG）,在MIG焊条件下，焊丝氧化膜的影响更明显，减少熔池存在时间，难以有效地防止焊丝氧化膜分解出来的氢向熔池侵入。因此希望增大熔池时间以利气泡逸出。,图 5 MIG焊接时焊缝气孔倾向与焊接工艺参数的关系（板Al-2.5%Mg，焊丝Al-3.5%Mg）,图5 板厚及接头形式
12、对焊缝气体含量的影响（MIG）1对接接头 2T型接头,因此，在MIG焊条件下，接头冷却条件对焊缝气体含量有较明显的影响。必要时可采取预热来降低接头冷却速度，以利气体逸出，这对减少焊缝气孔倾向有一定好处。改变弧柱气氛的性质，对焊缝气孔倾向也有一些影响。例如，在氩弧焊时，Ar中加入少量CO2或O2等氧化性气体，使氢发生氧化而减小氢分压，能减少气孔的生成倾向。但是CO2或O2的数量要适当控制，数量少时无效果，过多时又会使焊缝表面氧化严重而发黑。,热裂纹 铝及其合金焊接时，常见的热裂纹主要是焊缝凝固裂纹和近缝区液化裂纹。,铝合金是典型的二元或多元共晶合金，在焊接加热和冷却过程很迅速，合金来不及建立平衡
13、状态，固相和液相之间的扩散来不及进行，先结晶的为高熔点组元，后结晶的为低熔点组元被排挤到焊缝中心，在焊接应力作用下发生开裂，形成焊缝中心结晶裂纹。,铝合金接头中的结晶裂纹,铝合金接头热影响区中的液化裂纹,液化裂纹的说明,在母材的热影响区中，成分为XC的铝合金在平衡状态下，t1温度下组织为+，t2时中的组元开始向固溶体溶解，t3时全部转化为固溶体。,液化裂纹的说明,在焊接快速加热条件下，在t2 来不及溶解，达不到平衡，到t3时仍可能为+两相状态，t4时已超过共晶温度，中的组元还未完全溶入固溶体，则在和两相界面出现共晶液相，这种局部液化在焊接应力下沿晶界液膜形成“液化裂纹”。,1.热裂纹的形成原因
14、,1）拘束度的影响；2）液固相距离宽，生成柱状晶，柱状晶之间产生成分偏析，导致容易产生裂纹；3）材料因素的影响：a）铝合金为共晶合金，裂纹倾向与合金结晶温度区间大小有关系；,几种铝合金热裂倾向最大时的合金组元浓度(x m)：Al-Mg：x m=2%Mg；Al-Zn：x m=1012%Zn；Al-Si：x m=0.72%Si；Al-Cu：x m=2%Cu。,如果存在其他元素或杂质时，可能出现三元共晶，其熔点比二元更低，结晶温度区间更大，更容易产生热裂纹。,铝合金的焊接,b)线膨胀系数大，是钢的1倍，在拘束条件下焊接，容易产生较大的焊接应力，增大裂纹倾向；c)铝合金焊接过程中无相变，柱状晶粗大，容
15、易偏析。,2 防止焊接热裂纹的途径 母材的合金系对焊接热裂纹有重要的影响。对于焊缝金属的凝固裂纹，主要是通过合理确定焊缝的合金成分，并配合适当的焊接工艺来进行控制。1）合金系的影响 在铝中加入Cu、Mn、Si、Mg、Zn等合金元素可获得不同性能的合金，各种合金元素对铝合金焊接裂纹的影响如图所示。,图5 Al-Mg合金焊缝凝固裂纹与含Mg量的关系（T形角接接头）1连续焊道 2断续焊道,调整焊缝合金系的着眼点，从抗裂角度考虑，在于控制适量的易熔共晶并缩小结晶温度区间。由于铝合金为共晶型合金，少量易熔共晶会增大凝固裂纹倾向，所以，一般都是使主要合金元素含量超过xm，以便能产生“愈合”作用。,对于裂纹
16、倾向大的硬铝之类高强铝合金，在原合金系中进行成分调整以改善抗裂性，往往成效不大。生产中不得不采用含wSi=5%的Al-Si合金焊丝（4A01）来解决抗裂问题。因为可以形成较多的易熔共晶，流动性好，具有很好的“愈合”作用，有很高的抗裂性能，但强度和塑性不理想，不能达到母材的水平。,Al-Cu系硬铝合金2A16是为了改善焊接性而设计的硬铝合金。Mg可降低Al-Cu合金中Cu的溶解度，促使增大脆性温度区间。为此，应取消Al-Cu-Mg（硬铝）中的Mg，添加少量Mn（wMn1%），得到Al-Cu-Mn合金（2A16）。,如图5-9所示，wCu=6%7%时，正好处在裂纹倾向不大的区域。由于Mn能提高再结
17、晶温度而改善热强性，所以Al-Cu-Mn合金也可作为耐热铝合金应用。为了细化晶粒，加入wTi=0.1%0.2%是有效的。wFe0.3%时，降低强度和塑性；wSi0.2%时，增大裂纹倾向。特别是Si、Mg同时存在时，裂纹倾向更为严重，因Cu与Mg不能共存，Mg含量越少越好，一般限制wMg0.05%。,图5-9 焊丝成分对不同母材焊缝热裂倾向的影响13A21 2Al-2.5%Mg 3Al-3.5%Mg 4Al-5.2%Mg,大部分高强铝合金焊丝中几乎都有Ti、Zr、V、B等微量元素，一般是作为变质剂加入的。不仅可以细化晶粒而且可以改善塑性、韧性，并可显著提高抗裂性能。,2）焊丝成分的影响 不同的母
18、材配合不同的焊丝，在刚性T形接头试样上进行TIG焊，具有不同的裂纹倾向，如图5-10所示。采用成分与母材相同的焊丝时，具有较大的裂纹倾向，不如改用其他合金组成的焊丝。采用Al-5%Si焊丝（国外牌号4043）和Al-5%Mg焊丝（5A05或5556）的抗裂效果是令人满意的。Al-Zn-Mg合金专用焊丝X5180（Al-4%Mg-2%Zn-0.15%Zr）也具有相当高的抗裂性能。,图 5-10 Al-Cu-Mg及Al-Cu-Mn系合金的凝固裂纹倾向与合金组成的关系（铸环抗裂试验）a）Al-Cu-Mg合金 b）Al-Cu-Mn合金,3）焊接参数的影响 焊接参数影响凝固过程的不平衡性和凝固的组织状态
19、，也影响凝固过程中的应力变化，因而影响裂纹的产生。热能集中的焊接方法，可防止形成方向性强的粗大柱状晶，因而可以改善抗裂性。采用小焊接电流，可减少熔池过热，也有利于改善抗裂性。焊接速度的提高，促使增大焊接接头的应力，增大热裂的倾向。因此，增大焊接速度和焊接电流,都促使增大裂纹倾向。大部分铝合金的裂纹倾向都比较大，所以，即使是采用合理的焊丝，在熔合比大时，裂纹倾向也必然增大。因此，增大焊接电流是不利的，而且应避免断续焊接。(3)特殊措施磁控电弧振荡 振荡改变柱状晶方向，使裂纹扩展通道变得弯曲，增加裂纹扩展阻力。细化晶粒，降低热裂倾向。消除偏析。电磁搅拌 细化晶粒，降低热裂倾向，消除偏析,接头软化,
20、非时效强化铝合金,退火态焊接 等强,冷作硬化态焊接 软化,(峰值温度超过再结晶温度),时效强化铝合金 过时效软化,(焊接热影响区),(1)非时效强化铝合金HAZ的软化 主要发生在焊前经冷作硬化的合金上。经冷作硬化的铝合金，热影响区峰值温度超过再结晶温度（200-300）的区域时就产生明显的软化现象。软化主要原意是再结晶消除了原来冷作硬化效果。由于软化后的硬度实际已低到退火状态的硬度水平，因此，焊前冷作硬化程度越高，焊后软化的程度越大。板件越薄，这种影响越显著。冷作硬化薄板铝合金的强化效果，焊后可能全部丧失。,(2)时效强化铝合金HAZ的软化 主要是焊接热影响区“过时效”软化，这是熔焊条件下很难
21、避免的。软化程度决定于合金第二相的性质，也与焊接热循环有一定关系。第二相越易于脱溶析出并易于聚集长大时，就越容易发生“过时效”。,图5-12 Al-Cu-Mg（2A12）合金焊接热影响区的硬度变化（手工TIG）,图5-13 Al-4.5Zn-1.2Mg合金焊接热影响区的硬度变化（焊前自然时效，MIG）Tm峰值温度 1、2、3、4表示不同的焊后自然时效时间 13h 24d 330d 490d,2 软化的控制措施 采取的措施主要是制定符合特定材料的焊接工艺。对于焊后软化不能恢复的铝合金，最好采用退火或在固溶状态下焊接，焊后在进行热处理；如不允许焊后热处理，则应采用能量集中的焊接方法和小的焊接热输入
22、，以减小接头强度的损失。,1.焊接方法 铝及铝合金具有较好的冷热加工性能和焊接性，可以采用常规的熔焊方法进行焊接。常用的焊接方法有氩弧焊（TIG、MIG）、等离子弧焊、电阻焊和电子束焊等。也可采用冷压焊、超声波焊、钎焊等。热功率大、能量集中和保护效果好的焊接方法对铝及铝合金的焊接较为合适。气焊和电弧焊在铝合金焊接中已逐渐被氩弧焊（TIG、MIG）取代，仅用于修复和焊接不重要的焊接结构。,四、铝及铝合金的焊接工艺,钨极氩弧焊（TIG焊）适于焊接厚度小于3mm的铝及铝合金薄板，工件变形明显小于气焊。交流TIG焊具有去除氧化膜的清理作用，不用熔剂，避免了焊后熔剂残渣对接头的腐蚀，接头形式不受限制，焊
23、缝成形良好、表面光亮。氩气流对焊接区的冲刷使接头冷却加快，改善了接头的组织性能，适于全位置焊接。由于不用熔剂，焊前清理要求比其他焊接方法严格。,脉冲TIG焊扩大了氩弧焊的应用范围，特别适用于焊接铝合金精密零件。增加脉冲可减小热输入，有利于薄铝件的焊接。交流脉冲TIG焊有加热速度快、高温停留时间短、对熔池有搅拌作用的特点，焊接薄板、硬铝可得到满意的结果。对仰焊、立焊、管子全位置焊、单面焊双面成形等，也可得到较好的焊接效果。,熔化极氩弧焊（MIG焊）与TIG焊相比，MIG焊可焊的铝合金厚度明显增大，而且焊接效率高，适合于自动化生产。MIG焊用于焊接铝及铝合金时通常采用直流反极性，焊接薄、中等厚度板
24、材时，可用纯Ar作保护气体；焊接厚大件时，采用（Ar+He）混合气体，也可采用纯He保护。焊前一般不预热，板厚较大时，也只需预热起弧部位。,脉冲MIG焊可以将熔池控制的很小，容易进行全位置焊接，尤其焊接薄板、薄壁管的立焊缝、仰焊缝和全位置焊缝是一种较理想的焊接方法。脉冲MIG焊电源是直流脉冲，脉冲TIG焊的电源是交流脉冲。,2.焊接材料 铝及铝合金焊丝分为同质焊丝和异质焊丝两大类。选择焊丝首先要考虑焊缝成分要求，还要考虑抗裂性、力学性能、耐蚀性等。,焊接铝及铝合金最适宜的是交流TIG焊和交流脉冲TIG焊。有时也采用直流反接TIG焊方法来焊接铝，这种方法对连续焊或补焊壁厚2.4mm以下的铝合金件
25、仍有着熔深浅、电弧易控制等优点。表5-11为纯铝、铝镁合金手工TIG焊的工艺参数。为了防止起弧处及收弧处产生裂纹等缺陷，有时需要加引弧板和引出板。当电弧稳定燃烧，钨极端部被加热到一定的温度后，才能将电弧移入焊接区。自动TIG焊的工艺参数见表5-12。,3、焊接参数,表5-11 纯铝、铝镁合金手工TIG焊的工艺参数,表5-12 自动TIG焊的工艺参数,铝及铝合金交流脉冲TIG焊的工艺参数见表5-13。铝及铝合金TIG焊的缺陷及防止措施见表5-14。,表5-13 铝及铝合金交流脉冲TIG焊的工艺参数,根据焊件厚度选择坡口尺寸、焊丝直径和焊接电流等工艺参数。表5-15为纯铝、铝镁合金和硬铝自动MIG
26、焊的工艺参数。MIG焊熔深大，厚度6mm铝板对接焊时可不开坡口。当厚度较大时一般采用大钝边，但需增大坡口角度以降低焊缝的余高。表5-16为纯铝半自动MIG焊的工艺参数。对于相同厚度的铝锰、铝镁合金，焊接电流应降低20-30A，氩气流量增大10-15L/min。,表5-15 纯铝、铝镁合金和硬铝自动MIG焊的工艺参数,注：1.正面层焊完后必须铲除焊根，然后进行反面层的焊接。2.焊炬向前倾斜1015。,表5-16 纯铝半自动MIG焊的工艺参数,3.焊前准备(1)焊前清理机械清理 先用丙酮或汽油擦洗工件表面油污，然后根据零件形状采用切削方法，如使用风动或电动铣刀，也可使用刮刀、锉刀等。较薄的氧化膜可
27、采用不锈钢钢丝刷清理，不宜采用砂纸或砂轮打磨。清理后的焊丝、工件焊前存放时间一般不要超过12h。,(2)化学清理 效率高，质量稳定，适用于清理焊丝以及尺寸不大、批量生产的工件。小型工件可采用浸洗法。表5-10是去除铝表面氧化膜的化学处理方法。焊丝清洗后可在150200烘箱内烘焙0.5h，然后存放在100烘箱内随用随取。清洗过的焊件应立即进行装配、焊接。大型焊件受酸洗槽尺寸限制，难于实现整体清理，可在坡口两侧各30mm。的表面区域用火焰加热至100左右，涂擦NaOH溶液，并加以擦洗，时间略长于浸洗时间，除净焊接区的氧化膜后，用清水冲洗干净，再中和、光化后，用火焰烘干,(3)焊前预热 焊前最好不进
28、行预热，因为预热可加大热影响区的宽度，降低铝合金焊接接头的力学性能。但对厚度超过5-8mm的厚大铝件焊前需进行预热，以防止变形和未焊透，减少气孔等缺陷。通常预热到90即足以保证在始焊处有足够的熔深，预热温度很少超过150，wMg=4.0%-5.5%的铝镁合金的预热温度不应超过90。,铝结构的设计，虽然在计算方法上与钢结构基本相同（强度设计、稳定性设计和刚度设计），但由于其焊接接头性能的特殊性，在接头设计、许用应力等方面又不同于钢结构。铝与钢相比重要的区别：比较低的强度；低弹性模量焊接热影响区挤压型材的成型有减少轻型结构质量可能性,五、铝合金焊接结构的设计,铝梁和钢梁的区别,焊缝准备及结构形式
29、钢和铝的坡口有两个区别：铝由于熔点较低一般熔深较大焊铝时由热传导较快要求较大的坡口张开角度以避免可能产生的未熔合,对所有气体保护焊方法要求根部焊透。为了使根部更好地熔合，应在根部一侧开斜边见下图。建议使用熔池保护装置。,铝结构焊接合理的焊接结构设计的一般要求 受力简单明确，便于制作、安装、维护采取措施减少热影响对结构和构件强度的影响铝合金表面长时间受热辐射在80以上时，应采取有效措施防护注意防腐,尽量减小结构或焊接接头部位的应力集中；尽量减小结构的刚度，以减小应力集中和附加应力的影响；不采用过厚的截面；对于附件或不受力焊缝的设计，应与主焊缝同样重视；焊缝位置应具有可达性便于施焊和焊前现场清理。
30、,一般结构焊接焊缝在较小应力区，例如：焊缝处在对称轴,避免附加应力的焊接接头形式，例如：不同板厚焊接接头,产生最小内应力焊接接头，例如：避免内应力焊接接头,改善焊接热影响区性能下降的接头，例如：增加板厚的焊接接头,与板材厚度相适应的焊缝厚度,带背面保护的焊接接头,铝合金焊接接头应力,焊接变形,焊前预防措施设计措施,在焊接设计的时候就要考虑到的防止和减少焊接变形和应力的措施。这会在很大程度上降低构件后续加工的难度并有利于保证构件的质量。,(1)合理选择焊缝形式和尺寸设计原则：在保证结构有足够承载能力的前提下，尽量选用应力集中小的焊接接头，并采用较小的焊缝尺寸,焊缝尺寸大，不但焊接量大，而且焊接变
31、形也大,但并不是焊缝越小越好，因为焊接尺寸太小的焊缝，冷却速度过大，容易产生一系列焊接缺陷，如裂纹、HAZ硬度过高等。,a)角变形大 b)角变形小 图 T形接头的坡口,图 相同承载能力的十字接头,避免应力集中：焊缝不要设计在高应力和断面突变的地方,图 焊缝设计位置分析,采用刚性较小的接头形式，减小接头拘束度，减小焊缝残余应力,图 接头形式对拘束度及焊接残余应力的影响,(2)尽可能减少焊缝的数量 设计原则：在焊接结构中应该力求减少焊缝数量和总长度，避免不必要的焊缝。,图2-60 轴承的加固形式,用型钢代替钢板，用断续焊代替连续焊。,（a）压形板（b）拼焊板图2-61 两种隔舱板的形式,采用压型结
32、构代替肋板结构，防止薄板结构变形,(3)合理安排焊缝的位置 设计原则：焊缝尽可能对称于截面中性轴或接近中性轴；尽量避免焊缝的密集与交叉。,减少弯曲变形,图2-62 箱形梁的焊缝布置,图2-63 避免焊缝交叉的措施与最优焊接顺序,焊中控制措施工艺措施,指在焊接过程中同步采取的防止和减小焊接应力和变形的措施。在焊接过程中对焊接变形和应力进行随时的调控具有重要的意义，同时也是调控焊接变形和应力的重要措施。,合理选择焊接方法选择合理的焊接规范合理安排装配焊接顺序,合理选择焊接方法、焊接规范和装配顺序,一般情况下焊缝深宽比大的焊接方法，其焊接变形要小。,(1)合理选择焊接方法,图2-64 防止非对称截面
33、弯曲变形的焊接,(2)选择合理的焊接规范,e1,2e3,4,f1,2f3,4,选择线能量较低的焊接方法采用多层焊代替单层焊选择高能量密度的焊接方法采用冷却方式限制、缩小焊接热场,(3)合理安排装配焊接顺序,图2-65 带盖板的双槽钢焊接梁的焊接顺序,第一种焊接顺序：焊缝3、1、2弯曲变形：f1+f2+f3 第二种焊接顺序：焊缝1、2、3弯曲变形：f1+f2-f3 第三种焊接顺序：焊缝2、1、3弯曲变形：f1-f3,大型储油罐的焊接,合理采用辅助措施和工艺,反变形法 刚性固定法,此法的要点是事先估算好结构变形的大小和方向，再给予与焊接变形相抵的反向变形。,(1)反变形法,反变形法举例：下料反变形
34、措施 对于纵向收缩和横向收缩反映在长度与宽度尺寸上预先加余量；对于挠曲变形预制拱度；,a）按图纸下料 b）焊后残余变形 c）预制反变形,下挠,上拱,平直,装配反变形举例：a）没有预制反变形 b）预制反变形,焊前 焊后,焊前 焊后,图2-67 焊接梁柱结构的反变形,(2)刚性固定法,这种方法是将待焊接的构件设法固定，限制焊接变形，用于防止角变形和波浪变形效果较好，但对于防止弯曲变形效果远不及反变形法。基本原理：力图使焊缝区在冷却过程产生较大的拉伸塑性变形，以抵偿加热过程产生的热压缩塑性变形。基本应用：适用于控制薄板波浪变形和角变形！,应用举例：,工件,压板,控制薄板T形接头的 角变形!,图2-6
35、8 刚性固定法焊接法兰盘,（a）采用压铁（b）用角钢临时增加近缝区刚性图2-69 防止薄板波浪变形的辅助措施,随焊温度场调控方法,该方法是通过加热或者冷却不同的部位，调整焊接温度场，控制焊缝和近缝区塑性应变的发展，减小塑性变形的大小和范围，达到控制焊接变形和调整焊接应力的目的。随焊温差拉伸法 随焊激冷法,(1)随焊温差拉伸法,方法要点：三要素 位置、形状、温度。在焊缝两侧母材带状加热至200左右。利用加热带自身的热胀效应，对焊缝产生直接的拉伸作用并产生拉伸塑性变形，从而松弛应力。,图2-70 温差拉伸专用夹具,(2)随焊激冷法,图2-71 随焊激冷法的原理,基本原理是利用与焊接加热过程相反的方
36、法，采用冷却介质使焊接区获得比相邻区域（母材）更低的负温差，在冷却过程中，焊接区由于受到周围金属的拉伸而产生伸长塑性变形，从而抵消焊接过程中形成的压缩塑性变形，达到消除残余应力的目的。,随焊逆变形调控法,通过在焊接过程中引入一些特殊的机械手段，使不均匀的焊接温度场造成的焊缝及近缝区不均匀的变形均匀化，从而达到调控焊接变形和残余应力的目的。预拉伸法 随焊碾压法 随焊锤击法 随焊冲击碾压法,通过在近缝区施加拉伸载荷，使得焊缝和近缝区由于受热不均造成的不均匀变形均匀化，从而达到调控焊接变形和残余应力的作用。应用对象：对塑性好的材料适用。,图2-72 施加预拉伸载荷的几种方案,(1)预拉伸法,(2)随
37、焊碾压法,随焊碾压法是将碾压方法与焊接过程同时进行,采用本方法的主要目的是为了减小焊接变形和降低残余应力，可以用平面轮或凸面轮直接碾压焊缝金属或近缝区。,(3)随焊锤击法,将锤击方法在焊接进行的过程中使用就构成了本方法。,焊枪 2-汽锤 3-固定平台 4-锤头 5-工件图2-74随焊锤击实施方案,(4)随焊冲击碾压法,这种方法是将随焊锤击的锤头换成可以转动的小尺寸碾压轮，碾压轮在冲击载荷作用的间隙内向前滚动，它保持了随焊锤击的优点，并克服了焊缝表面质量不佳的问题。,焊后调节措施矫正措施,机械方法加热方法,机械方法,利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使两者相互抵消，这是减小和消除焊
38、接应力与变形的基本思路之一。机械矫正法 机械拉伸法 振动时效法,(1)机械矫正法,(a)三点弯曲矫形(b)辗压矫形图2-75 机械矫正法的应用,平板：利用平板机或辊床平板，适用于薄板拼接后的波浪变形；碾压：利用圆盘或轮辗压焊道及其两侧，使之产生塑性伸长；特别适 用于塑性好的铝合金；锤击：适用于局部角变形（如客车钢结构总装之前的矫正）；专机：适用于大型结构（如客车厂350t侧墙矫直机）。,(2)机械拉伸法,对焊件施加一次机械拉伸，可以起到减小纵向焊接变形和降低残余应力的效果。因为焊接残余应力正是由于局部压缩塑性变形引起的，加载应力越高，压缩塑性变形就抵消的越多，残余应力也就消除的越彻底。,(3)
39、振动时效法,利用偏心轮和变速电动机组成激振器使结构发生共振所产生的应力循环来降低残余应力。,初始应力分布(b)试件截面(c)经过6.2106次循环后的内应力分布,(d)经不同循环次数作用后内应力峰值的变化 图2-76 振动循环次数与消除应力的效果,振动传感器,橡胶垫,构件,激振器,振动主机,偏心块,振动时效工艺,图 振动时效处理工艺,加热方法,火焰矫正法高温回火 整体高温回火 局部高温回火,图2-77 火焰矫正法的应用,(1)火焰矫正法调节焊接变形,利用火焰局部加热时产生压缩塑性变形，使较长的金属在冷却后收缩，来达到矫正变形的目的。,火焰矫正三要素：位置、形状、温度。火焰加热位置选择：使火焰加
40、热区新产生的残余变形与已经产生的残余 变形相互抵消！火焰加热形状选择：火焰加热形状有：点状、带状、三角形等。应用时要恰当选择！火焰加热温度选择：火焰加热温度一般选择为：550650,波浪变形,图 点状加热,a),b),c),图 线状加热a)直通加热 b)链状加热 c)带状加热,适用于,角变形,图 工字梁弯曲变形的火焰矫正,弯曲变形,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
