焊接工程中的變形因素

王立濤

摘 要：在焊接過程中由于急劇的非平衡加熱及冷卻，結構將不可避免地產生不可忽視的焊接殘余變形。焊接殘余變形是影響結構設計完整性、制造工藝合理性和結構使用可靠性的關鍵因素。

關鍵詞：焊接變形；影響因素；控制措施

1 前言

鋼材的焊接通常采用熔化焊方法，是在接頭處局部加熱，使被焊接材料與添加的焊接材料熔化成液體金屬，形成熔池，隨后冷卻凝固成固態金屬，使原來分開的鋼材連接成整體。由于焊接加熱，融合線以外的母材產生膨脹，接著冷卻，熔池金屬和熔合線附近母材產生收縮，因加熱、冷卻這種熱變化在局部范圍急速地進行，膨脹和收縮變形均受到拘束而產生塑性變形。這樣，在焊接完成并冷卻至常溫后該塑性變形殘留下來。本文主要闡述實用焊接變形的影響因素及控制措施和方法。

2 焊接變形的影響因素

焊接變形可以分為在焊接熱過程中發生的瞬態熱變形和在室溫條件下的殘余變形。影響焊接變形的因素很多，但歸納起來主要有材料、結構和工藝3個方面。

2.1 材料因素的影響

材料對于焊接變形的影響不僅和焊接材料有關，而且和母材也有關系，材料的熱物理性能參數和力學性能參數都對焊接變形的產生過程有重要的影響。其中熱物理性能參數的影響主要體現在熱傳導系數上，一般熱傳導系數越小，溫度梯度越大，焊接變形越顯著。力學性能對焊接變形的影響比較復雜，熱膨脹系數的影響最為明顯，隨著熱膨脹系數的增加焊接變形相應增加。同時材料在高溫區的屈服極限和彈性模量及其隨溫度的變化率也起著十分重要的作用，一般情況下，隨著彈性模量的增大，焊接變形隨之減少而較高的屈服極限會引起較高的殘余應力，焊接結構存儲的變形能量也會因此而增大，從而可能促使脆性斷裂，此外，由于塑性應變較小且塑性區范圍不大，因而焊接變形得以減少。

2.2 結構因素的影響

焊接結構的設計對焊接變形的影響最關鍵，也是最復雜的因素。其總體原則是隨拘束度的增加，焊接殘余應力增加，而焊接變形則相應減少。結構在焊接變形過程中，工件本身的拘束度是不斷變化著的，因此自身為變拘束結構，同時還受到外加拘束的影響。一般情況下復雜結構自身的拘束作用在焊接過程中占據主導地位，而結構本身在焊接過程中的拘束度變化情況隨結構復雜程度的增加而增加，在設計焊接結構時，常需要采用筋板或加強板來提高結構的穩定性和剛性，這樣做不但增加了裝配和焊接工作量，而且在某些區域，如筋板、加強板等，拘束度發生較大的變化，給焊接變形分析與控制帶來了一定的難度。因此，在結構設計時針對結構板的厚度及筋板或加強筋的位置數量等進行優化，對減小焊接變形有著十分重要的作用。

2.3 工藝因素的影響

焊接工藝對焊接變形的影響方面很多，例如焊接方法、焊接輸入電流電壓量、構件的定位或固定方法、焊接順序、焊接胎架及夾具的應用等。在各種工藝因素中，焊接順序對焊接變形的影響較為顯著，一般情況下，改變焊接順序可以改變殘余應力的分布及應力狀態，減少焊接變形。多層焊以及焊接工藝參數也對焊接變形有十分重要的影響。焊接工作者在長期研究中，總結出一些經驗，利用特殊的工藝規范和措施，達到減少焊接殘余應力和變形，改善殘余應力分布狀態的目的。

3 焊接變形的控制

3.1 設計措施

3.1.1 合理地選擇焊接的尺寸和形式

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，在保證結構的承載能力的條件下，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。

3.1.2 盡可能減少不必要的焊縫

在設計焊接結構時，合理地選擇筋板的形狀，適當地安排筋板的位置，力求焊縫數量少，避免不必要的焊縫，從而減小焊接變形。

3.1.3 合理地安排焊縫位置

在設計焊接結構時，安排焊縫盡可能對稱于截面中性軸，或者使焊縫接近中性軸，這對于減少梁、柱等類型結構的撓曲變形有良好的效果。

3.2 工藝措施

工藝措施是指在焊接構件生產制造過程中所采用的一系列措施，將其分為焊前預防措施、焊接過程中的控制措施和焊后矯正措施。

3.2.1 焊前預防措施

焊前預防主要包括預防變形、預拉伸法和剛性固定組裝法。預變性法或稱反變形法是根據預測的焊接變形大小和方向，在待焊工件裝配時造成與焊接殘余變形大小相當、方向相反的預變形量（反變形量），焊后焊接殘余變形抵消了預變形量，使構件恢復到設計要求的幾何形狀和尺寸。

預拉伸法多用于薄板平面構件，焊接時在薄板有預張力或有預先熱膨脹量的情況下進行的。焊后，去除預拉伸或加熱，薄板恢復初始狀態，可有效地降低焊接殘余應力，控制焊接變形。預熱的作用在于減小溫度梯度，不同的預熱溫度在降低殘余應力的作用方面有一定的差別，預熱溫度在300℃～400℃時，在鋼中殘余應力水平降低了30%～50%，當預熱溫度為200℃時，殘余應力水平降低了10 %～20%。

3.2.2 焊接過程控制措施

焊接過程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接規范參數，選擇合理的焊接順序以及采用隨焊兩側加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施。選擇線能量較低的焊接方法以及合理地控制焊接規范參數可以有效地防止焊接變形。采用隨焊兩側加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施可以降低殘余應力和減小焊接變形。采用隨焊兩側加熱，橫向應變、縱向應變和最大剪切應變的分布更加均勻，變化更加平緩，起到減小焊接殘余應力和變形的作用。隨焊碾壓法由于設備復雜、使用不便等原因，在生產應用中受到一定的限制，但該方法在提高焊接變形等方面具有理想的效果。隨焊激冷法能夠顯著地降低殘余應力和減少焊接變形。

3.2.3 焊后矯正措施

當構件焊接后，只能通過矯正措施來減小或消除已發生的殘余變形。焊后矯正措施主要分為加熱矯正法和機械矯正法。加熱矯正法又分為整體加熱和局部加熱。整體熱矯正是指將整體構件加熱至鍛造溫度以上再進行矯正的方法，可用以消除較大的形狀偏差。但是焊后整體加熱容易引起冶金方面的副作用，限制了該方法的進一步推廣及應用。

局部熱矯正多采用火焰對焊接構件局部加熱，在高溫處，材料的熱膨脹受到構件本身剛性制約，產生局部壓縮塑性變形，冷卻后收縮，抵消了焊后部位的伸長變形，達到矯正目的，火焰加熱法采用一般的氣焊焊炬，不需要專門的設備，方法簡便靈活，因此在生產上廣為應用。此外，還有利用機械力或沖擊能等進行焊接變形矯正，包括靜力加壓矯直法、焊縫滾壓法、錘擊法等。

4 結束語

綜合分析上述焊接變形的影響因素與減小焊接變形的措施，基本了解焊接變形的原因及變形的種類，針對焊接變形的原因和控制措施從焊接工藝等方面進行改進，有效防止減少焊接變形所帶來的危害。