如何預防碳素鋼板焊接時產生焊接殘余變形問題探究

吳隆興

摘要：通過分析變形的基本知識，找出焊接變形產生的原因，提出控制焊接殘余變形的措施，以供參考。

關鍵詞：碳素鋼板；焊接；碳素殘余變形

1變形的基本知識

1.1變形

物體在外力或高溫度等因素的作用下，其內部原子的相對位置發生改變，其宏觀表現為形狀和尺寸的變化，這種變化稱為物體的變形。

1.1.1彈性變形與塑性變形

當外力或其它因素去除后變形也隨消失，物體可恢復原狀，這樣的變形稱為彈性變形；當外力或其它因素去除變形仍然存在，物體不能恢復原狀的這種變形稱為塑性變形。

1.1.2自由變形

非自由變形物體的變形不受外界任何阻礙自由的進行，這種變形稱為自由變形。

1.1.3焊接變形由焊接而引起焊件的尺寸改變稱為焊接變形

其中，焊接過程的變形稱為焊接瞬時變形：焊后殘存于焊件中的變形稱為焊接殘余變形。

2焊接變形的產生原因

由于焊接熱過程的復雜性，影響焊接變形的因素很多，如焊件受熱不均勻、焊縫金屬的收縮、金屬組織的變化及焊件剛性的影響等，其中最根本的原因是焊件受熱不均勻。

2.1均勻加熱時引起變形的原因

當溫度比較高，達到或超過材料屈服點溫度時，則桿件的壓縮變形量增大，產生塑性變形、彈性變形兩部分組成。當溫度恢復到原始溫度時彈性變形恢復塑性變形部分不能回復。

2.2不均勻加熱時引起的變形

碳鋼長板條中心加熱引起的變形，在其中沿長度方向上用電阻絲進行加熱，則在板條寬度方向上出現中間高，兩側低的不均勻溫度場，而沿板條長度方向和厚度方向的溫度分布可視為均勻。

2.3焊接變形的產生

前面長板條中心加熱引起的應力與變形，這種情況沿板條寬度方向溫度分布不均勻，但沿板條長度方向和厚度方向溫度分布都為時均勻。然而，焊接過程的加熱是移動的熱源，不時沿板條長度方向同時加熱的，而且熱量在焊件內的傳播速度低于焊接速度，因此，沿板條長度方向上的各個截面的溫度都是不同的。另外，焊接過程的溫度變化范圍比較大，焊接處的最高溫度可達到材料的沸點，而離開焊接處的溫度又急劇下降直至室溫。由于金屬在高溫下的性能隨溫度而變化，如低碳鋼焊接區的溫度超過600℃時，此時材料喪失彈性，處于全塑形狀態。

3焊接殘余變形對焊接結構的影響因素

焊接殘余變形在焊接結構中的分布是很復雜的。按變形對整個焊接結構的影響程度可將焊接變形分為局部變形和整體變形；按照變形的外觀形態來分，可將焊接變形分為五種基本變形形式：收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形和扭曲變形。這些基本變形形式的不同組合，形成了實際生產中焊件的變形。最基本的是收縮變形，收縮變形再加上不同的影響因素，就構成了其它四種基本變形形式。焊接結構的變形對焊接結構生產有極大的影響。首先是零件或部件的焊接殘余變形，給裝配帶來困難，進而影響后續焊接的質量；其次過大的殘余變形還要進行矯正，增加結構的制造成本；另外，焊接變形也降低焊接接頭的性能和承載能力。

4控制焊接殘余變形的措施

4.1控制焊接變形的措施

從焊接結構的設計開始，就應考慮控制變形可能采取的措施。進入生產階段，可采用焊接預防變形的措施，以及在焊接過程中的工藝措施。

4.1.1設計措施

（1）選擇合理的焊縫形狀和尺寸在保證結構有足夠承載能力的前提下，應采用盡量小的焊縫尺寸。

（2）減少焊縫的數量只要允許，多采用型材、沖壓件；就可以減少焊縫數量。

（3）合理安排焊縫位置，梁、柱等焊接構件、常因焊縫偏心配置而產生彎曲變形。

4.1.2工藝措施

（1）留余量法。此法即是在下料時，將零件的長度或寬度尺寸比設計尺寸適當加大，以補償焊件的收縮。留余量法主要是用于防止焊件的收縮變形。

（2）反變形法。此法就是根據焊件的變形規律，焊前預先將焊件向著與焊接變形的相反方向進行人為的變形（反變形量與焊接變形量相等），使之達到抵消焊接變形的目的。此法很有效，但必須準確地估計焊后可能產生的變形方向和大小。

（3）剛性固定法。采用適當的辦法來增加焊件的剛度或拘束度，可以達到減小其變形的目的，這就是剛性固定法。

（4）選擇合理的裝配焊接順序：在無法使用胎夾具情況下施焊，一般都須選擇合理的裝配和焊接的順序，使焊接變形減至最小。裝配焊接順序應按以下原則進行。

4.2矯正焊接殘余變形的方法

在焊接結構生產中，首先應采取各種措施來防止和控制焊接變形。但是焊接變形是難以避免的，因為影響殘余變形的因素太多，生產中無法面面俱到。當焊接結構中的殘余變形超出技術要求的變形范圍時，就必須對焊件的變形進行矯正。常用的矯正焊接變形的方法有以下幾種。

4.2.1手工矯正法

手工矯正法就是利用手錘、大錘等工具錘擊焊件的變形處。主要用于一些小型簡單焊件的彎曲變形和薄板的波浪變形。

4.2.2機械矯正法

機械矯正法就是利用機器或工具來矯正焊接變形。具體地說，就是用千斤頂、拉緊器、壓力機等將焊件頂直或壓平。機械矯正法一般適用于塑性比較好的材料及形狀簡單的焊件。

4.2.3火焰加熱矯正法

火焰加熱矯正就是利用火焰對焊件進行局部加熱，使焊件產生新的變形去抵消焊接變形。在生產中應用廣泛，主要用于矯正彎曲變形、角變形、波浪變形等，也可用于矯正扭曲變形。endprint