淺析焊接變形的控制以及影響因素

劉勛　張書海

摘 要：焊接是一個極其不平衡的冷卻以及加熱過程，在這一過程中，焊接部件的結構會發生焊接殘余形變，這種形變是無法避免的。并且其將影響到設計的結構完整性，并對制造工藝和結構使用的合理性、穩定性造成不利影響。針對鋼結構在焊接中所遇到的技術難點，結合實際的操作經驗，文章著重對焊接形變的相關影響原因以及對形變控制的方式進行了論述。

關鍵詞：控制；焊接變形；措施；影響因素

1 影響因素

根據焊接過程中受到熱力作用而發生的形變不同可以將焊接形變分為瞬態熱變形以及殘余變形兩種。

焊接變形會受到多種因素的影響，但歸納起來主要受到了工藝、結構以及材料的影響。

1.1 工藝影響

焊接變形受到工藝的影響較多，例如焊接電壓量、焊接方法以及構件定位、固定方式和焊接胎架、順序、夾具等都會對焊接形變造成較大的影響。在各種工藝影響中，對于變形影響較為明顯的即焊接順序，焊接順序會對焊接的殘余形變和應力分布造成直接影響，從而通過焊接順序改變的方式能夠有效降低焊接的變形量。另外，多層焊對于焊接變形的影響也十分巨大，焊接工作人員在實際的操作中通過經驗的總結，利用一些特殊的工藝規范以及措施，盡可能的對殘余應力進行降低，并減少了焊接的變形，通過有效改善應力分布狀態達到預期目的。

1.2 結構影響

焊接變形中最關鍵的影響因素即焊接結構，同時也是最復雜的影響因素。其對焊接變形的影響主要隨著拘束度的改變而改變，由于拘束度變化，焊接處的焊接應力也會隨之改變，因而會對焊接變形造成影響，若是拘束度增加則焊接變形會減少。另外焊接的過程中，工件拘束度會發生變化，其自身的結構為變拘束結構，同時還會受到外界的拘束影響。但是在焊接中，一般情況下自身的作用占據主導，并且結構自身會在焊接時發生變化，結構越復雜，變化越大，在對焊接結構進行設計時，需要通過加強板以及筋板等結構對剛性和穩定性進行增加，當發生較大的拘束度變化時，對分析控制焊接變形工作帶來了較大的難度。所以需要適當的優化鈑金以及結構板的厚度、位置和數量，在焊接變形的控制和降低中具有重要意義。

1.3 材料影響

材料影響不僅僅是說焊接材料的影響，在焊接過程中母材也會對焊接變形造成一定的影響，焊接形變會對材料的物理參數、力學性能以及熱物理參數等都會對其造成影響。而在焊接變形中力學性能的影響較為復雜，會從多角度多方面對結果造成影響，其中膨脹系數對于變形的影響較為顯著，越大的熱膨脹系數會產生越大的變形。同時，溫度的變化率越大在材料的高溫區其彈性模量、屈服極限也會隨著改變，一般而言，形變量會隨著彈性模量的增大而減小，但是材料屈服極限越高焊接后其殘余應力便會越大，極易造成脆性斷裂。另外，過小的塑性形變會使得焊接變形量相對降低，塑形區的減小也會降低焊接變形。

2 控制

2.1 設計控制

2.1.1 尺寸形式的合理選擇。焊接尺寸直接關系到焊接工作量和焊接變形的大小。焊縫尺寸大，不但焊接量大，而且焊接變形也大，因此，在保證結構承載能力的條件下，設計時應盡量采用較小的焊縫尺寸。對于受力較大的丁字接頭和十字接頭，在保證相同的強度條件下，采用開坡口的焊縫可以比一般角焊縫減少焊縫金屬，對減小變形有利。

2.1.2 焊縫的數量控制。在進行焊接設計時，對焊接結構中需要適用的筋板應當進行合理的選擇，將筋板放置在合理適當的部位，用以降低焊縫的數量，不需要進行焊接的地方盡量避免進行焊接，一次降低形變。

2.1.3 焊縫位置的控制。在對焊接結構進行實際時，應當將焊縫設計為截面中性軸的對稱位置，或者盡可能的和中性軸接近，如此能夠有效減少撓曲變形。

2.2 工藝控制

從工藝上進行控制主要指構件在生產時，能夠通過采用一系列的有效手段，在焊接之前進行變形的預防，并在焊接過程中予以重視，并在焊接后通過一些工藝調整進行控制。

2.2.1 預防措施。該種方式又被稱作反變形法，主要是根據焊接變形的方向以及大小，在裝配工件的過程中，將焊接的殘余形變相反的形變予以應用，即反變形量，同焊后的殘余形變相互抵消，以此令工件恢復到原有應當達到的設計尺寸以及需要的幾何形狀。

在薄板平面構件中，預拉伸法應用較為廣泛，大多都在有預先膨脹量的狀況或者在板材有預張力的狀態下才予以應用。在焊接之后，進行加熱或者去除拉伸，使得薄板恢復到原有狀態，能夠有效的去除或者降低殘余應力，對形變予以有效的控制。

通過夾具或者采用剛性胎具進行固定組裝的方式，被稱作剛性組裝法，能夠有效的對焊件進行固定，控制角變形以及構件的彎曲變形。

2.2.2 焊接過程中的變形控制。在焊接過程中的控制主要可以通過焊接方式的合理選擇以及焊接參數和焊接順序的科學確定進行，通過隨焊兩側加熱、跟蹤激冷以及碾壓等措施有效控制變形量。在焊接方法的選擇中，需要選擇線能量較低的方式，對焊接規范參數進行有效合理的參數控制，對焊接變形進行有效的預防。通過上述方式可以對殘余應力以及焊接變形進行有效的降低和減少。而兩側加熱的隨焊方式能夠使得最大剪切應變以及橫縱向的應變分布更加均勻，變化更為平緩，從而對焊接的參與應力以及形變作用進行影響。而碾壓的方式則需要考慮到設備以及適用的便捷度問題，因此一般的生產中該種方式不能得到廣泛的推廣，但是在焊接形變的控制上，隨焊碾壓的方式效果是最為理想的。而最后的激冷法，在減少變形以及降低殘余應力方面的效果也較為理想。

在焊接變形以及殘余應力的改變中焊接順序的影響最大，通過焊接順序的不同，使用的工藝方式也會有所變化，殘余的焊接應力的分布也會發生改變，應力的降低幅度整體來說變化較大，而對于焊接變形的控制上，作用較大，其中多道焊接的方式對于焊接變形的作用更加顯著。

2.2.3 變形矯正。在完成焊接之后，通過適當的矯正措施能夠對已經出現的形變進行針對性的消除以及矯正，根據應用的方式差異，可以將焊接厚度矯正分為加熱方式矯正以及機械方式矯正兩種措置。而加熱矯正又可以分為局部加熱矯正以及整體加熱矯正兩種方式。

局部加熱矯正的方式主要利用火焰對元件的局部予以加熱，由于高溫作用，材料本身的感性制約會對其熱膨脹進行約束，從而會在局部產生壓縮塑性形變，在降溫冷卻過程中發生收縮，從而抵消了由于焊接而造成的伸長變形，用以矯正。

而整體的加熱矯正方式則是對構件的整體進行加熱，通過加熱到鍛造溫度對構件進行整體性的矯正，該方式能夠對較大的形變進行消除。但是該方式在矯正后會發生冶金副作用，所以在應用上受到了限制。

3 結束語

通過上述分析，發現，焊接變形的影響會受到內部和外部因素的多重影響，控制焊接變形的方式需要建立在對該種因素了解的基礎之上，并從工藝上進行優化和改進，減少焊后殘余應力，并對焊接變形進行消除，以減少由此帶來的一些隱患。

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