焊接變形的控制措施研究

姚繼光

（鎮江中船日立造船機械有限公司，江蘇 鎮江 212011）

0 引言

焊接作為一種非常重要的加工工藝，在制造工業中占據著重要地位，廣泛地應用于機械制造、石油化工、原子能等領域。隨著科學技術的蓬勃發展、焊接技術不斷進步，正確地使用焊接方法，合理地安排焊接工藝，有效地控制焊接變形，降低制造成本，提高經濟益，顯得尤其重要。

焊接變形是直接影響焊接結構性能、安全可靠性和制造工藝的重要因素。它會導致在焊接接頭中產生冷、熱裂紋等缺陷，在一定條件下還會對結構的斷裂特性、疲勞強度和形狀精度等有不利的影響。在構件制造過程中，焊接變形往往會引起正常工藝流程的中斷。因此，掌握焊接變形的規律，了解其作用與影響，采取措施控制和消除焊接變形，具有重要意義。

1 焊接變形的影響因素

焊接變形是由多種因素交互作用而導致的，焊接時的局部不均勻熱輸入是產生焊接變形的決定因素。焊接變形一般分為2種，一種是焊接加熱過程中產生的瞬態熱變形，另一種是正常溫度（即室溫）下的殘余變形。其因素可以綜合歸納為：

1.1 材料因素

材料的熱物理性能和力學性能參數都會影響到材料的焊接變形。其中熱物理性能的影響主要是熱傳導系數對材料焊接變形的影響，通常熱傳導系數越小，材料溫度變化越大，焊接變形現象就越明顯。相對于熱物理性能，力學性能對材料焊接變形的影響就比較復雜，其中熱膨脹系數的影響是最大的。當材料的熱膨脹系數增加時，焊接變形的程度也就增大。此外，力學性能中的屈服極限和彈性模量的變化也會在一定程度上影響材料的焊接變形。材料的彈性模量和焊接變形成反比例關系，也就是說隨著彈性模量的增加，焊接變形反而會降低。屈服極限的增加會導致焊接變形過程產生較大的殘余應力，再加上平均應力比較高，就會導致焊接結構材料對于變形的存儲能力增加，從而促使脆性斷裂事件的發生。塑性應變和塑性區域減小，焊接變形也隨之減小。

1.2 結構因素

在結構設計階段就需要將焊接變形考慮在內。結構是影響焊接變形的最為復雜的因素，我們通常看到的結構中采用了加強板、加強筋等就是對焊接結構的一種保護措施。一般來說，隨著結構約束度的增加，焊接過程的殘余應力會相應增加，從而使得材料的焊接變形降低。不過在焊接過程中，由于結構自身因素導致約束的可變性，再加上受到外界的約束作用，就使得結構約束變化比較復雜。在設計階段通常為了保持結構的穩定性，會采用加強筋或者加強板等設計方法。加強筋和加強板的設計，給控制汽車結構的焊接變形帶來了困難。所以在加強板等的設計方面，要加強尺寸和數量的控制，這在一定程度上可有效減小焊接變形。

1.3 工藝因素

焊接采用的方法、焊接順序、焊接時的定位以及熱輸入量等對焊接變形的影響，被稱為焊接工藝對焊接變形的影響。焊接工藝對焊接變形的影響是最多的，在所有工藝因素中，焊接順序對焊接變形的影響最大。不同的焊接順序對焊接結構殘余應力的分布狀態有很大影響，進而影響焊接變形狀態。焊接工藝參數很多，這些參數對焊接變形的影響一直是焊接研究的重點，利用有效的焊接工藝可改善殘余應力和減小焊接變形。

2 焊接變形的控制措施

由上文可知，影響焊接變形的因素主要有材料、結構和工藝，那么對于焊接變形的控制措施就從這3個方面著手。在選擇焊接材料時通常選擇熱導系數比較大的焊接材料，焊接材料導熱能力越好，越有利于降低焊接變形。此外，還要求材料的熱膨脹系數較小、彈性模量較小等。但是材料的性能有一定范圍的固定性，所以各個性能之間的權衡就很困難，一般來說通過焊接材料的選擇來控制焊接變形比較困難。通常對于焊接變形的控制，是基于某一種材料選擇某種容易實現的方式來降低焊接變形。如果是焊接材料已經選定，那么就從焊接結構的設計和焊接工藝的選擇2個方面來控制焊接變形。

2.1 結構設計措施

（1）焊縫設計。焊縫設計主要是指對焊縫尺寸和形式進行設計，焊縫尺寸、焊接質量與焊接變形關系密切。焊縫越大，焊接變形越大。所以在設計焊縫尺寸時，應該盡可能在滿足承載要求的情況下，越小越好。在焊縫形式的選擇上要充分考慮承載能力要求，選擇滿足要求的并且可以實現焊縫尺寸減小的焊縫形式。（2）焊縫數量。焊縫數量對焊接變形的影響顯而易見，焊縫越少對焊接變形越有利，這就要求設計時盡可能在滿足要求的條件下，優化焊縫數量，避免不必要的焊縫，從而控制焊接變形。（3）焊縫位置。焊縫位置設計得合理，可有效減少梁和柱等結構的變形，設計時應盡量將焊縫布置在中性軸附近。

2.2 工藝措施

下面從焊接前、焊接過程和焊接后3方面來闡述控制焊接變形的工藝措施：（1）焊接前措施。焊接前的措施有3種：1）預變形。這種方法就是在焊接前預測焊接變形的狀態，根據預測的焊接變形方向和形變大小，在待焊接產品裝配時做一個與預測焊接變形相配合的形狀，大小相同，方向相反。這樣焊接后的變形剛好抵消了這個預留的變形，從而滿足設計要求。2）預拉伸。該方法通常用在平面結構上，在焊接前使薄板存在一定的張力或者熱膨脹，焊接后去除外力恢復初始狀態，從而有效降低焊接變形，保障焊接質量。3）剛性固定組裝。該方法同樣是借助外力，通過夾具將待焊件盡可能實現剛性固定，從而有效地控制角變形和彎曲變形。（2）焊接過程措施。控制焊接參數、有效選擇焊接順序、加熱、碾壓、激冷等方法可實現對焊接變形的控制。比如，鋁合金焊接時在焊槍兩側對母體金屬加熱，能夠使電弧金屬變形減小，降低焊縫區域的剪切應變，從而實現對焊接變形的控制。激冷方法也是控制焊接變形非常有效的工藝方法，隨焊激冷能夠顯著降低焊接殘余應力，減小焊接變形。在焊接時，尤其是在多道焊接過程中，焊接順序的選擇對殘余應力和焊接變形的影響較大，采用不同的焊接順序，可以改變殘余應力的分布規律。（3）焊接后措施。焊接后即焊接已經結束，焊接變形已經形成，這時主要通過加熱和機械這2種矯正方法來降低焊接變形對焊接質量的影響。加熱矯正是通過對構件整體或者局部進行加熱來矯正焊接變形。整體加熱通常是將工件一直加熱到鍛造溫度以上，然后再矯正。相比整體加熱，局部加熱在效果、成本以及使用范圍上都有很多優勢，局部加熱通過火焰對焊接構件進行加熱，由于材料熱膨脹和自身剛性的相互作用而產生塑性變形，冷卻后又收縮，抵消焊接時的變形，達到矯正目的。機械方法對焊接變形的矯正主要是通過靜力加壓、對焊縫滾壓和錘擊、電磁脈沖等方法，就是在焊接件上施加機械壓力，使得構件產生與焊接變形的反力，從而實現矯正。強點脈沖矯正是利用高壓電容產生的強脈沖磁場，通過磁場沖擊力在焊接件相反方向的作用來抵消殘余變形，實現焊接變形矯正。但該方法使用起來有很大局限，只適用于導電系數較高的材料。

3 結語

通過對焊接變形因素和控制措施進行分析，我們可以找到多種實現焊接變形控制的方法。但是我們也很容易發現，每種控制措施都有一定的局限性。那么在生產中就要求根據自身的需求和條件選擇相應的方法，來實現對焊接變形的控制。在控制措施中，相對成熟和廣泛使用的方法是焊接前和焊接過程焊接變形的控制，而焊接后的控制矯正方法還不夠成熟和理想。對于焊接過程復雜的焊接工藝來說，分為焊接前、中、后3個階段是遠遠不夠的，因此尋找一種有效的控制方法成為日后焊接工藝的一個重要研究方向。

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