受热变形与矫正

出处：按学科分类—工业技术 江苏科学技术出版社《铆工实用技术手册》第550页（10523字）

1．钢材受热变形的原因和防变形措施

人们都知道，钢材焊接后都要产生变形，其原因及防止措施概括如下。

(1)受热变形的原因

①胀缩应力。焊接时，焊缝及热影响区受热而膨胀，但由于受到周围金属的阻碍而不能自由膨胀，此时产生压应力；冷却时，焊缝及热影响区要收缩，但又受到周围金属刚性的牵扯而不能自由收缩，而产生拉应力。由于以上所述两种应力的存在使焊件产生了变形。

②金相组织的转变。焊接后，焊缝及热影响区的金属，由珠光体转变为奥氏体，在连续冷却时，奥氏体是在一温度范围内进行转变，因此往往得到混合式组织，如珠光体加索氏体，索氏体加屈氏体，屈氏体加马氏体等。随着温度的降低，转变产物的硬度随之提高，延伸率和断面收缩率也随之增大，因此产生了收缩，焊件发生变形。

(2)防变形措施

铆工在实际工作中，取得了许多丰富的经验，有效地防止了焊件的变形，概括起来大致有：反变形法、对称受热法、加大断面法、自由胀缩法、热量集中法和缩小温差法等。下面分别叙述之。

1)反变形法

将焊件向将要变形的反方向摆放或变形，焊接后与预先的反变形相抵消，而使焊件达到设计的平整度。

常用反变形的构件有组对H钢的翼板和对接板等，为了使读者有个基本的依据，下面列表8－2以供参考。这是因为，焊接后的变形量与很多因素有关，如材质、焊接方式、焊接电流大小、焊接速度、冷却速度、腹板和翼板的板厚比和设计要求的焊角高度等，故除参考此表外，还应选一试件试验后方可决定实际的变形量为最合适。

表8－2 手弧焊时的反变形值 (mm)

①胎具和方法：对于H钢翼板的反变形，如图8－65和图8－66所示，分别为在立式压力机和卧式压力机进行反变形的胎具和方法，下面仅以图8－65在立式压力机进行反变形为例讲述，卧式反变形从略。

图8－65 反变形板的立式压制胎具和方法

1－压力机底座；2－滑道；3－连接板；4－压紧螺栓；5－限位角钢；6－被压板料；7－压力机顶头；8－限变形量下垫板(t=6)；9－样板；10－H钢

图8－66 反变形板的卧式压制胎具和方法

1－上胎；2－被变形板；3－下胎；4－托滚

②反变形量的确定：除参考表8－2外，还应选一试件焊接后再确定，如本例，焊脚高度设计要求为12mm，焊三遍，查表反变形量为3．75mm，经埋弧自动焊试验后为6mm。应以试验数据为准。

③样板的作法：如图8－65所示，样板宽度与翼板等宽，并中心线处切出一缺口，以检验所压的线是否在板的中心。

④胎具的制作：用角钢5的目的，立面作为横向限位铁，平面作为压下量的限位铁，其厚度等于反变形量6mm；下胎板8与角钢5的平面配合使用起到限制压下量的作用。在吊车的配合下，随时用样板检查，适当调整压力机的压力便可得到设计的反变形程度。

⑤对接板的搁置反变形：如图8－67所示，为对焊一底板采用反变形方法示意图，此法的关键是确定限位铁的厚度，可根据经验参考表8－2确定。

图8－67 对接板搁置反变形

2)对称受热法

任何形式的钢结构，焊接时要对称受热才能改善防变形效果。图8－68和图8－69所示为不对称受热引起变形的实例。图8－68为从一大板上切下的长条板，一边为原始边，一边为气割边，割后向气割边弯曲了30mm；图8－69为拼接法兰盘，由于焊工误操作不对称焊接而引起较大变形。根据这些经验，焊接一切结构时都应接受此经验行事。图8－70所示为圆筒体对称施焊防弯曲的方法；图8－71所示为贮罐底板由内向外对称分段退焊法防变形方法。

图8－68 气割不对称变形实例

图8－69 电焊不对称变形实例

图8－70 筒体对称施焊防弯曲

图8－71 贮罐底板对称退焊法防变形

3)加大断面法

人人皆知，厚板变形小，薄板变形大，这是什么原因呢?归根结底一句话就是刚性问题，厚板的断面大，所以刚性就大；薄板的断面小，所以刚性就小。

如图8－72所示，为冷加工加大断面防变形实例，从图中可看出，原始的板或筒体断面较小，经加工后断面增大，故加工后的刚性要比加工前的刚性大得多，使用时变形就小。

图8－72 冷加工加大断面防变形实例

(a)、(b)加大断面前后的板材；(c)加大断面前后的筒体

如图8－73所示，为热加工加大断面防变形实例，从图中可看出，原始的底板或筒体或法兰，其断面较小，经增加型钢或夹具后其断面加大，故后者比前者的刚性大，变形小。图8－74所示也是热加工加大断面防变形实例。

图8－73 热加工加大断面防变形实例

(a)加大断面前后罐底板；(b)加大断面前后筒体；(c)加大对焊法兰断面

图8－74 热加工加大断面防变形实例

(a)大型贮罐抗风圈；(b)焊接环缝用胀圈；(c)焊接纵缝用防变形板和引弧板

4)自由胀缩法

前面已经说过，构件产生变形的一个重要原因是不能自由胀缩而产生应力，根据这一原理，如果能使焊缝自由胀缩，便可防止变形。

如图8－75所示，图(a)为球罐壳体焊接顺序，图(b)为贮罐底板焊接顺序，皆应先纵后横。其原理是：将各瓜瓣(或中幅板)先焊为一环带(或长条)，焊时因不受横缝限制，能自由胀缩，待相邻所有纵缝焊完全冷后，再焊其中间的横缝，又成了带与带(或长条与长条)之间的自由胀缩，故能达到防变形的目的。

图8－75 自由胀缩防变形实例

(a)球罐壳体先纵后横；(b)贮罐底板先纵后横

5)热量集中法

热量集中，一则加快了焊接速度，二则减小了热影响区，因而产生金相组织转变的区域减小，所以能减小变形。按热量集中程度由大到小可排列为：氩弧焊、埋弧自动焊、手工电弧焊和气焊。同样一个构件，用气焊变形大，用氩弧焊变形小，就是这个道理。

6)缩小温差法

这里的温差是指被焊件与空间温度的差。温差大散热就快，变形大，这是因为金相组织转变的产物的性能与冷却速度有关，对于有淬硬倾向的低合金结构钢会产生淬硬组织，使焊缝产生裂纹。对此，常采用的防变形措施是焊前预热和焊后缓冷，使温度差减小，可有效地防止变形。

2．加热矫正时加热温度、深度和位置的原理分析

在钢结构的生产中，常利用加热后的热胀和冷缩来处理很多工艺缺陷，从而达到正确组焊之目的。为了更好地将热胀冷缩原理应用于实践，下面分析几个例子，说明加热温度、深度和位置的正误原理。

(1)利用热胀时的加热温度、深度和位置

如图8－76所示，为组焊H钢一侧翼板时的情况，C点点焊后，前方出现间隙，为了缩小A处的间隙，可在B处加热，约加热至200℃时，A处便徐徐往内移动，约300℃时，间隙消除便可点焊，直至翼板组焊完毕。这是因为钢材受热后，原子活动能力加大，同时原子间隙也加大，所以产生膨胀。因为板是有一定厚度的，外侧温度高于内侧温度，外侧伸相对内侧缩短，所以A处往内移动。

图8－76 利用热胀加热温度、深度和位置原理分析

至于加热深度，试验表明当C处点焊后，在B处加热，开始时A处往内移动；当加热至300℃左右时，A处已紧贴腹板；继续加热后，A端又徐徐往外移动形成间隙；当B处的内外温度大约相同时(即温差很小时)，间隙不再扩大，这是因为内外的伸长量基本相等，无一侧的伸，哪有另侧的缩，所以又恢复到原来的间隙。

这里也顺便谈一谈加热位置，如图中的俯视图，当只加热D沿时，除往内移动外，还往E边移动；同理，只加热E沿时，往D边移动，所以，为了缩小间隙，加热时要两侧对称加热或只在中部加热或全加热，偏心加热会形成立弯。

结论：利用热胀缩小间隙时，加热温度和深度不限，但必须有温差。加热位置要对称。

(2)利用冷缩时的加热温度、深度和位置

【例1】 如图8－77所示，图(a)为加热后收缩使封头直径缩小，图(b)为加热后收缩使翼板平直，两者的加热温度是相同的，即必须加热至钢材的临界温度以上30～50℃(注：整体加热温度不到临界温度，但表层某一深度已达到临界温度，也会产生相变，冷却后也有收缩值，只是小而已)，然后冷却，才能有较大的收缩值。这是因为加热至临界温度以上30～50℃时，钢材由原始组织珠光体转变为奥氏体，冷却后转变为断面收缩率较大的其他组织，也就是说发生了质的变化(产生了同素异构转变——晶体结构发生了变化)，因而产生了收缩。

图8－77 利用冷缩加热温度、深度和位置原理分析

(a)加热后收缩封头直径；(b)加热后矫正翼板弯曲

至于加热深度，(a)图和(b)图是不同的，(a)图必须内外同时加热至临界温度以上30～50℃才能产生较大的收缩量；(b)图除了保证上述的加热温度外，还必须具有温差，才能达到矫正的目的。这是因为上侧温度高于下侧温度，上侧收缩量才能大于下侧收缩量，才能达到矫正的目的。如果上下侧温度相同，是不能达到矫正目的的。为达此目的，加热时要快，宽度30～40mm，且必须上下有一定温差。单面加热就能达到有一定温差。

结论：利用收缩处理工艺缺陷时，属于缩小直径或长度的构件，加热温度要超过临界温度，加热深度要透，加热位置要内外结合；属于冷缩矫正弯曲的构件，加热温度要超过临界温度，加热深度为板厚的为宜，加热位置要居中。

【例2】 如图8－78所示，图(a)为加热后收缩H钢旁弯的图例，图(b)为加热后收缩矫正平板立弯的图例。

图8－78 利用冷缩加热位置和深度原理分析

(a)H钢旁弯的冷缩矫正；a′：错误；a″：正确；(b)平板立弯的冷缩矫正；b′：错误(两面温差较大)；b″：正确(两面温差较小)

加热温度同例1所述，这里只以此例分析加热位置和深度。

以图(a)为例分析，a′图是错误的，因为加热位置超过了腹板，在矫正翼板立弯的同时，腹板上部受热，如果多个这样的三角形共同起作用，在翼板的立弯得以矫正的同时，整H钢会产生立弯，矫此损彼；a″是正确的，不论用高或低的三角形加热，还是只在边缘弧状或线状加热(微小弯曲时使用此形状)，都没有超过腹板，加热收缩后，只能使翼板得以矫正，腹板不受影响。

以图(b)为例分析，b′图和b″图，从图中所画的各种加热符号看，都是正确的，三角形高的、宽的收缩量大，低的、窄的收缩量小，只在边缘加热的收缩量最小。b图是错误的，因为它只在一面加热(或未加热透)，两面的温差太大，多个这样的三角形加热收缩后，立弯得到了矫正的同时，也产生了平弯；b″图是正确的，因为它两面加热或加热较透，两面的温差较小，只矫立弯不会引起平弯。

利用收缩矫正工艺缺陷时，属于H钢类型的翼板立弯，加热高度不能超过腹板；属于平板类型的立弯，加热高度不受限制，但必须加热透或两面加热，以防产生平弯。

3．中凸变形的基本原理和防变形、矫正变形措施

在热加工中，常遇到中凸变形的情况，如图8－79所示，这种变形多发生于薄板件，小规格独板和大规格拼接板都可能发生。

图8－79 罐底板的中凸变形

(a)焊前底板形状；(b)焊后底板形状(内或外凸)

(1)产生中凸变形的基本原理

如图8－79中的罐底板，点焊前为平板，焊后壁角焊缝处内外受热，尽管采用了分段退焊法、对称焊法、减少线能量等措施，仍会不同程度地产生中凸变形，其基本原理主要是受热的周边产生了金相组织转变，转变后的组织较原始组织的断面收缩率大，冷却后引起周边收缩，相对中部伸长，面积增大，所以形成中凸变形。这种中凸变形可能向内也可能向外。

(2)防中凸变形的措施

预防中凸变形的措施很多，如加大断面法、预伸长法、水冷法(焊前在罐内装水)等，这里仅举前两法说明其原理。如图8－80所示，图(a)为加大断面法，焊前将底板中部压上重物，实际上就是加大了底板的厚度，即加大了断面，断面大则刚性大，变形就小，但这种方法焊后存在着较大的应力；图(b)为预先使受热变厚部位伸长，为了真正达到变薄伸长的目的，锤击时要在厚平台板上进行，不能空打或悬打。焊接后变长的周边收缩到原始长度，即是说整个底板并没有发生收缩和伸长变形，也就不会产生中凸变形了。

图8－80 防中凸变形措施

(a)加大断面法；(b)使受热部位预先伸长法

(3)矫正中凸变形的措施

矫正中凸变形的措施也很多，主要还是根据变形原理而实施的。如图8－81所示，从一整板上割下一薄板圆板，便产生了中凸变形(随板厚的增加，这种变形便会减小)，矫正的方法主要有锤击法和点状加热法。

图8－81 矫正中凸变形措施

(a)锤击法；(b)点状加热法

图(a)为锤击法，使受热变厚的周边伸长，与未受热的其他部位相平衡，便可消除中凸变形，锤击时要在厚平台板上进行，其锤击顺序是由外圆周向内圆周，假设锤击力不变，锤击点由外向内应逐渐减少，一遍不行可两遍，但前后的锤击点要错开，以使变厚的部位均匀伸长。这个锤击顺序是正确的，其基本原理是因为周边是自由端，变薄伸长有去向，当然这种去向越往内越显得小；反之，哪里高锤击哪里，先从中部开始，中部是封闭端位，即使叫它伸长也无伸长的去处，况且也不能伸长，越伸长中凸变形越严重，从这种分析看来，由外向内的顺序是正确的。

图(b)为加热法，其加热矫正也是根据变形原理而实施的，其方法如下述。

1)点状加热温度

要使加热后收缩量最大，其加热温度要超过相变温度30～50℃，并保温一段时间，使珠光体全部转变为奥氏体，空冷或浇水后奥氏体又转变为其他形式的断面收缩率大的组织，使钢板产生收缩变厚。

在收缩时，为了增强矫正效果并避免冷却后在加热处产生小突泡，加热之后可用木槌轻轻锤击加热处和周围，锤击加热处是促使其变厚，锤击其周围是帮助收缩。

2)加热顺序

加热顺序应由内向外梅花状进行，加热点数由内向外应逐渐减少，因为越往外变形越小，一次不行可两次，但前后加热点应错开，以使变厚部位更均匀。

3)点状加热直径和间距

点状加热常采用梅花式，厚板加热点直径大一点，薄板小一点，但一般不小于15mm，其间距可参考图中a、b、c。

4)加热后的收缩

加热后，为了加强矫正效果，应使收缩速度加快，以提高矫正力。在实际工作中，一般用浇水的方法帮助收缩，但也要根据具体情况采用。

①从季节来分析：数九寒天气温达零下10～30℃，水的温度为零上几度，此时空冷要比水冷速度快，应采用空冷；炎热的夏天，气温高达零上30～40℃，水的温度在10℃左右，此时应浇水冷却。

②从材质分析：低碳钢含碳量低，即使冷却速度再快也不会产生淬硬组织或裂纹，此时应选用冷却速度快的方法；低合金结构钢和含碳量较高(C＞0．25%)的钢种，快速冷却后会产生淬硬组织甚至产生裂纹，此时应选择冷却速度慢的方法使之收缩。

4．热胀冷缩在矫正中的应用

物体的热胀冷缩规律普遍存在于钢结构的生产制造中，其影响是一分为二的，有利也有弊。

其弊的方面是人们所熟悉的，如受冷后收缩引起变形，使结构失去原来的平衡状态和几何尺寸，必须经过矫正后才能达到设计要求，浪费了人力物力，拖延了工期。

热胀冷缩也有其利的方面，在很多场合下可以利用热胀冷缩规律处理很多工艺缺陷，从而满足了工艺的需要。

下面举一些利用热胀冷缩解决生产问题的实例，以启示读者务必重视热胀冷缩现象在实际生产中的重要地位。

(1)热胀的应用实例

钢材受热后，原子的活动能力加大，其间距也加大。依加热温度的不同，可能产生或不产生相变，但体积总是增大的，在实际生产中主要是利用体积增大的一瞬间而使几何尺寸发生变化，从而达到组焊工艺的要求。下面仅举在生产中常遇到的几个例子说明如下。

图8－82所示为利用热胀进行矫正的例子。

图8－82 利用热胀进行矫正的例子

(a)对接板间隙大；(b)绞刀叶片间隙大；(c)腰鼓形锥台间隙大；(d)、(e)筒体端口局部错边

图(a)为澄清槽锥台的一扇展开料，由三块板拼接而成，主要的组对缺陷是边缘的三角板，由于单侧气割后，对接边起拱，影响正常组对。采用在对边加热的方法，间隙很快缩小，当缩小到需要的间隙时，立即点焊以固定，便可达到组焊的目的。

图(b)为螺旋叶片在组焊过程中，由于叶片压制的误差，内侧不贴紧芯轴，处理方法可在下侧的外缘处加热，由于热胀，内缘自动靠近芯轴，间隙合适后点焊，从而达到组焊的目的。

图(c)为用胎具压制的锥台，由于压制胎具有缺陷，使锥台形成腰鼓状，中部间隙5～6mm，影响组焊，其处理方法是：将两端间隙合适处点焊，在中部两侧均匀加热，由于热胀，增大的体积只能往自由部位的间隙处移动，因此使间隙缩小，在缩小的同时用锤往下击打，当缩小到所需要的间隙时，立即用小电流点焊之。

图(d)、图(e)为处理筒形件局部错边的例子，如图(d)，由于内侧热胀，端头便往外移，当移到不错边时立即点焊；图(e)为锥台与圆筒相对时，锥台上口出现局部错边，可利用在上筒体对应部位加热的方法，使体积膨胀减少错边量点焊之(当然还有其他方法处理之)。

(2)冷缩的应用

这里所说的冷缩，是指钢材加热至相变温度以上30～50℃，产生相变，即由珠光体转变为奥氏体，冷却后奥氏体转变为断面收缩率较大的其他组织，因而产生收缩；若加热温度在相变温度以下，只有表层部分达到或超过相变温度，产生相变，因此收缩力不大。所以利用冷缩矫正构件的几何尺寸或形状时，要加热至相变温度以上30～50℃，使珠光体全部转变为奥氏体，冷却后才能取得最大收缩效果。

如图8－83所示，为利用冷缩矫正的例子。

图8－83 利用冷缩进行矫正的例子

(a)封头端口直径大；(b)组对H钢翼板内收；(c)筒体弯曲；(d)角钢弯曲

1－另加半圈焊道；2－原焊道

图(a)为电脱盐罐所用封头，材质16MnR，设计外周长10254 mm，实际外周长10284mm，比设计周长大30mm，直径上大10mm，错边量超差，为了解决这一难题，在端口100mm高度范围内加热，使端口直径在允差范围。

加热工具：三个汽油喷灯，三台气焊烤把。

加热温度：750～800℃左右。

加热部位：内外100mm高度范围。

冷却方式：空冷。

效果：全冷后盘取外周长为10268 mm，比设计周长还大14 mm，即直径较设计大4．5mm，错口量在允差范围。

图(b)为组焊后的H钢，材质Q235A，焊接后翼板内收8mm，采取了加热后收缩的方法，使之满足了设计要求。加热温度在750～780℃，并跟踪浇水，矫正量过大或过小时以加热调节；

图(c)为筒体弯曲变形，原因是在下侧开孔焊接后收缩造成，可在凸侧加焊半道焊缝处理，经收缩后弯曲度由原来的15mm缩为8mm，在允差范围，满足了设计要求。为了提高收缩率，可在筒体两端垫以工字钢，使焊缝部位因自重下垂，以帮助上部收缩。这样处理若收缩量还不够，可在平台与筒体间加一倒链拉紧，以增加收缩量；

图(d)为常用的以冷缩方法矫正角钢弯曲的情况，材质Q235A，加热三角形的个数可根据变形程度定，加热温度也应视变形程度定，最高不得超过730～750℃，最低300～500℃皆可，这是因为，300～500℃虽然不到相变温度但表层的一部分深度已经达到了相变温度，所以还会有不同程度的收缩量。加热温度高或低皆有不同程度的收缩量。加热三角形的高度也应视变形程度决

定，最小时可只加热边缘，最大时不能超过边宽的，最起码应离开另边的根部一个距离，以防引起另边的立弯变形。

以上是利用热胀冷缩处理工艺缺陷的例子，当然还可用机械、半机械或手工方法处理。