焊接变形控制技术

本书针对焊接变形原理、焊接变形计算、焊接变形控制方法、焊接变形控制工程实例及焊接变形控制与检测装备等方面内容进行了系统的介绍，提供了从理论到实践方案的总体思路，为广大读者提供了全新的视角体验。

作为工业产品制造的主要连接方法，焊接技术是决定制造效率、品质及质量水平的关键技术，其复杂性表现为电弧物理特性、材料冶金、热力学、结构力学及电力电子等多项技术相互关联、相互交叉，多因素随机控制，焊接技术水平代表了国家材料制备、装备制造的水平。
焊接技术的进步伴随、见证着我国工业建设的进步。经过多年大量的生产、科研实践，引进技术的不断消化、吸收，我国在焊接装备、焊接工艺、焊接质量检测、焊接标准、焊接生产管理及重大工业产品焊接制造等方面取得了重大进步，建成多个具有标志性的国家重大工程。
电子束焊、激光焊接等高密度焊接方法窄而深的焊缝形式使焊接变形更具复杂化，在某些条件下甚至放大焊接变形。搅拌摩擦焊厚板焊接或接头设计不合理时，也容易产生较大的焊接变形。随着重大工程对焊接服役结构可靠性要求的提高，对应力及疲劳、耐应力腐蚀等要求逐渐提高，焊接变形与其存在复杂关系，在控制焊接变形中采取的工艺措施、方法、材料等不可避免地影响工业结构服役品质。
本书系统集合了造船、航洋工程、航空、航天、核工业、石油化工、兵器、发电设备及传输、轨道车辆和汽车等关系国计民生重大行业焊接变形的控制实例。编写过程中得到了全国重要行业专家的大力支持，例如广州黄埔造船厂、中国电子科技集团公司第三十八研究所、上海航天八院、哈尔滨工业大学、北京航空制造工程研究所、哈尔滨电机厂有限责任公司、中车长春轨道客车股份有限公司和核工业系统等单位的技术人员，在此表示感谢。焊接变形控制实例23个，涵盖了工程机械、高强装甲铝合金炮塔、航空发动机整体叶盘、钛合金深潜器、空空导弹弹体、中俄管道、KM6工程、载人飞船、汽车运输船和高速列车车身等典型实际工程。
目前，大学研究集中在“理论、方法”上，本科阶段缺少焊接标准、实际工程案例的讲授，与实际工业需求较为脱节，焊接职业教育需要大力发展，学生理论联系实际有待提高。因此本书从焊接接头设计、焊接结构设计、焊接工艺设计、焊接施工和生产管理等新角度，阐述焊接变形控制、焊接变形控制方案制定、焊接变形基本装备等，以及焊接变形调控措施不当对产品带来的性能损失，为工程师、新毕业学生提供全新视角。
前言目前，国产重要焊接装备、关键高端焊接材料等仍存在差距，在研发机制、社会引导，在焊接人才的培养方式上可以提升。本书编写从工程实际、实践操作的视角出发，在规律上凝结理论，不仅重视焊接变形的控制消除，更重要的是指导读者如何分析问题、解决问题，与社会生产实际直接联系，引导方向。因此，本书的编写也希望为科技攻关方式、工业发展需求，产学研结合、焊接工程师及人才培养等方面提供借鉴。
谨以此书向钱祖尼、田锡唐、关桥、钟国柱和吴林等在我国焊接变形控制技术做出历史贡献的前辈致敬！
祝我国的焊接事业越来越好！
编者
2022年10月8日

序
前言
第1章焊接变形
1.1焊接变形原理
1.1.1焊接温度场
1.1.2温度场的表征
1.1.3焊接熔池与焊接温度场的交互作用
1.1.4移动热源塑性区和局部应力应变循环
1.1.5焊接温度场控制
1.2热传导方程及数学基础
1.2.1热传导方程
1.2.2数学基础
1.3加热时的结构变形特点
1.3.1平板点加热时的变形
1.3.2沿结构中性轴加热时的变形
1.3.3在非结构中性轴上加热时的变形
1.3.4角变形的变形特征
1.3.5角变形和挤压引起的波浪变形
1.4焊接残余变形的种类及形式
1.5影响焊接残余变形因素
1.5.1焊缝在结构中的位置
1.5.2焊接结构的刚性
1.5.3焊接结构的装配与焊接顺序
1.5.4其他因素
第2章焊接变形解析计算
2.1板条焊接变形及应力计算模型
2.1.1板条加热时变形和应力的计算
2.1.2板条冷却时变形和应力的计算
2.1.3平板对接残余应力的分布
2.2刚性装夹对焊接变形的影响
2.3单层对接焊变形计算
2.4约束对单层对接焊变形影响
2.5对接接头多层焊时的变形
2.6角接接头的变形计算
目录第3章焊接变形有限元计算
3.1有限元计算方法
3.1.1偏微分方程及其求解
3.1.2有限元法的基本思路
3.1.3有限元法的数学基础——降维
3.1.4如何获得“弱形式”的解
3.1.5二维、三维有限元计算
3.2焊接变形有限元计算流程
3.2.1常见焊接变形计算软件
3.2.2术语及定义
3.2.3焊接变形计算工作流程
3.2.4焊接变形有限元计算关键技术
3.3焊接变形有限元计算实例
3.3.1焊工考试管板接头焊接仿真计算
3.3.2车体长型材焊接变形计算分析报告
3.3.3焊接变形计算操作实例
3.3.4“筛板骨架总成”焊接模拟报告
第4章焊接变形控制方法
4.1从焊缝压缩塑性应变角度控制焊接变形
4.1.1焊前变形控制方法
4.1.2焊中变形控制方法
4.1.3焊后变形控制方法
4.2从焊接结构设计角度减小焊接变形
4.2.1焊接对称性设计原则
4.2.2模块化设计原则
4.3从焊接工艺选择减小焊接变形
4.3.1焊接工艺设计
4.3.2焊接接头设计
4.3.3焊接工艺方法选择
4.3.4焊接结构的合理设计
4.4从焊接生产角度减小焊接变形
4.4.1工装技术
4.4.2技术管理和生产管理
4.4.3下料工艺
4.4.4调整焊接顺序
4.4.5生产中的火焰矫正工艺
第5章焊接变形控制实例
5.1汽车滚装船焊接变形控制
5.1.1汽车滚装船结构特点
5.1.2焊接变形原因分析
5.1.3焊接变形控制
5.1.4焊接变形控制效果
5.2轮式装载机前车架焊接变形控制
5.2.1产品结构及焊接变形分析
5.2.2焊接变形原因分析
5.2.3前车架焊接变形控制措施
5.2.4焊接变形控制效果
5.3混流式水轮机叶片焊接变形控制
5.3.1产品结构
5.3.2焊接变形控制措施
5.4高速列车长大型材焊接变形控制
5.4.1产品结构
5.4.2长大挤压型材焊接变形控制
5.4.3焊接变形控制关键技术点
5.5采取振动时效降低焊接变形
5.5.1振动时效技术简介
5.5.2振动时效技术的应用
5.5.3振动时效技术应用实例
5.6龙门式起重机焊接变形控制
5.6.1龙门式起重机顶板结构
5.6.2龙门式起重机顶板焊接变形的有限元计算
5.6.3焊接变形最优方案确定
5.7通过优化焊接工艺降低焊接变形实例
5.7.1焊道布置设计
5.7.2焊缝金属填充量控制
5.7.3保护气体选择
5.8球罐结构焊后热处理焊接变形控制
5.8.1高速喷嘴内燃法简介
5.8.2焊后整体热处理工程实例
5.9TC4整体叶盘结构焊接变形控制
5.9.1整体叶盘结构
5.9.2整体叶盘焊接变形趋势
5.9.3变形控制措施
5.9.4变形控制效果
5.10高强铝合金炮塔焊接变形控制
5.10.1产品特点分析
5.10.2焊接变形控制措施
5.10.3焊接变形控制效果
5.11钢箱梁桥焊接变形控制
5.11.1钢箱梁结构特点
5.11.2变形原因分析
5.11.3变形控制措施
5.11.4焊接变形控制效果
5.12石油管道焊接变形控制
5.12.1灵活仿形制备坡口
5.12.2自动内焊设备
5.12.3自动外焊设备
5.13钛合金框架及耐压舱焊接变形控制
5.13.14500m载人深潜器钛合金框架焊接变形控制
5.13.2“蛟龙”号钛合金载人耐压舱焊接变形控制
5.14某导弹钛合金薄壁构件焊接变形控制
5.14.1某导弹主承力舱体结构特点
5.14.2焊接变形控制措施
5.14.3变形控制效果
5.15地铁车辆焊接变形控制
5.15.1焊接工艺
5.15.2变形控制措施
5.15.3变形控制效果
5.16飞机成形模具——复合材料Invar钢模具焊接变形控制
5.16.1产品特点
5.16.2变形控制措施
5.16.3变形控制效果
5.17核电站机组不锈钢管道焊接变形控制
5.17.1奥氏体型不锈钢特点
5.17.2焊接变形控制措施
5.17.3焊接变形控制效果
5.18不锈钢刮板冷凝器焊接变形控制
5.18.1产品结构及变形特点
5.18.2焊接变形控制措施
5.18.3焊接变形控制效果
5.19KM6真空容器12m法兰焊接变形控制
5.19.1KM6真空容器制造技术难点
5.19.2变形控制
5.19.3焊接变形控制效果
5.20输电塔焊接变形控制
5.21随焊焊接变形控制
5.21.1船舶行业随焊焊接变形控制实例
5.21.2航天及国防装备随焊焊接变形控制实例
第6章焊接变形控制常用装备
6.1焊接变形测量技术及装备
6.1.1变形测量工具、量具
6.1.2变形三维检测
6.1.3温度检测
6.2焊接变形控制技术及装备
6.2.1预拉