浅谈焊接变形的影响因素及控制措施

摘要：焊接变形在制造过程中会危及形状与公差尺寸、接头安装偏差且增加坡口间隙，使制造过程更加困难，当出现问题时还需采取一些费时耗资的附加工序来进行弥补，不仅增加成本，还可能出现由此工序带来的其他不利因素。因此，要得到高质量的焊接结构必须对焊接变形严格控制。

关键词：影响因素；预防； 控制；矫正

1前言

随着现代工业技术水平的高速发展，作为机器制造重要手段之一的焊接技术，已被广泛应用于机械制造业的各个部门。焊接变形在制造过程中会危及形状与公差尺寸、接头安装偏差且增加坡口间隙，使制造过程更加困难，当出现问题时还需采取一些费时耗资的附加工序来进行弥补，不仅增加成本，还可能出现由此工序带来的其他不利因素。因此，要得到高质量的焊接结构必须对焊接变形严格控制。

2焊接变形的形成及分类

焊接时一般采用集中热源局部高温加热，因此在焊件上产生不均匀的温度场。在不均匀的温度场作用下，焊件不可避免地将产生变形，焊后当焊件温度降至常温时表现出来的变形则为焊接残余变形。

焊接残余变形是指焊接完成后残存于焊接中的变形，也称之为焊接变形。焊接变形可以分为两大类，一类是基本变形，包括纵向收缩变形和横向收缩变形。另一类是派生变形，是指由于基本变形在结构中自身分布或对于结构特点所引起的变形，常见的有弯曲变形、角变形、扭曲变形、波浪变形等。

3焊接变形的影响因素

影响焊接变形的因素很多,但归纳起来主要有材料、结构和工艺3个方面。

(1)材料因素的影响

材料对于焊接变形的影响不仅和焊接材料有关,而且和母材也有关系,材料的热物理性能参数和力学性能参数都对焊接变形的产生过程有重要的影响。其中热物理性能参数的影响主要体现在热传导系数上,一般热传导系数越小,温度梯度越大,焊接变形越显著。力学性能对焊接变形的影响比较复杂,热膨胀系数的影响最为明显,随着热膨胀系数的增加焊接变形相应增加。同时材料在高温区的屈服极限和弹性模量及其随温度的变化率也起着十分重要的作用,一般情况下,随着弹性模量的增大,焊接变形随之减少而较高的屈服极限会引起较高的残余应力,焊接结构存储的变形能量也会因此而增大,从而可能促使脆性断裂,此外,由于塑性应变较小且塑性区范围不大,因而焊接变形得以减少。

(2)结构因素的影响

焊接结构的设计对焊接变形的影响最关键,也是最复杂的因素。其总体原则是随拘束度的增加,焊接残余应力增加,而焊接变形则相应减少。结构在焊接变形过程中,工件本身的拘束度是不断变化着的,因此自身为变拘束结构,同时还受到外加拘束的影响。一般情况下复杂结构自身的拘束作用在焊接过程中占据主导地位,而结构本身在焊接过程中的拘束度变化情况随结构复杂程度的增加而增加,在设计焊接结构时,常需要采用筋板或加强板来提高结构的稳定性和刚性,这样做不但增加了装配和焊接工作量,而且在某些区域,如筋板、加强板等,拘束度发生较大的变化,给焊接变形分析与控制带来了一定的难度。因此,在结构设计时针对结构板的厚度及筋板或加强筋的位置数量等进行优化,对减小焊接变形有着十分重要的作用。

(3)工艺因素的影响

焊接工艺对焊接变形的影响方面很多,例如焊接方法、焊接输入电流电压量、构件的定位或固定方法、焊接顺序、焊接胎架及夹具的应用等。在各种工艺因素中,焊接顺序对焊接变形的影响较为显著,一般情况下,改变焊接顺序可以改变残余应力的分布及应力状态,减少焊接变形。多层焊以及焊接工艺参数也对焊接变形有十分重要的影响。焊接工作者在长期研究中, 总结 出一些经验,利用特殊的工艺规范和措施,达到减少焊接残余应力和变形,改善残余应力分布状态的目的。

4焊接变形的预防与控制

预防焊接变形的措施开始于焊接过程之前，控制焊接变形的措施实施于焊接过程之中。预防与控制焊接变形应从设计和工艺两个方面着手。

4.1 设计措施

(1)、合理的选择焊缝的尺寸和形式。焊缝尺寸直接关系到焊接工作量和焊接变形的大小。焊缝尺寸大，不但焊接量大，而且焊接变形也大。因此，在保证结构的承载能力的条件下，设计时应该尽量采用较小的焊缝尺寸。

(2)、尽可能的减少不必要的焊缝。在焊接结构中应该力求焊缝数量少，避免不必要的焊缝。在设计焊接结构时，常常需要采用筋板来提高结构的稳定性和刚性。

(3)、合理安排焊缝的位置。在设计时，安排焊缝尽可能对称于截面中性轴，或者使焊缝接近中性轴，这对减少梁、柱等这一类结构的挠曲变形有良好的效果。

(4)、结构刚性。结构的刚性越大，对变形的抗力越大。

4.2 工艺措施

(1)、选择合理的焊接方法和规范

(2)、选择合理的装配焊接顺序

(3)、选择合理的坡口形式和尺寸

(4)、反变形法。事先估计好焊件焊接变形的方向和大小，然后再装配时预先人为地给予一个相反方向的变形与焊接变形相抵消，使焊后构件保持设计的要求。

(5)、刚性固定法。提前对焊件加以固定，提高结构刚性来限制焊接变形。

(6)、散热法。如果焊接时，没有条件采用热输入较小的焊接方法，又不能进一步降低焊接参数，则可采用散热法减少焊接变形。一般有直接水冷或采用铜冷却块来限制和缩小焊接热场的分布，达到减小变形的目的。

5焊接变形的矫正

焊接结构不可避免地要产生焊接变形，只要采取控制焊接变形的措施对其程度加以限制，就可以将焊接变形对结构的不利影响减小到允许的范围内。但有时尽管在设计和工艺方面都采取了控制焊接变形的措施，还是产生了比较大的焊接变形，超出了技术要求所允许的范围，则应进行矫正。矫正焊接变形的常用方法主要有：

5.1、机械校正法

采用手工锤击压力机等机械方法使工件产生和焊接变形相反的塑性变形。校正前要分析焊缝应力的方向，找准应力点，然后采取适当的方法。一般情况下变形都是由于焊缝收缩引起的，所以我们可以采取对焊缝进行锤击的方法使焊缝延伸，从而抵消焊缝收缩引起的变形。对于用锤击不能产生作用的工件校正，可以用压力机校正。

5.2、火焰校正法

火焰加热产生局部的压缩塑性变形，使较长的金属材料在冷却后缩短来消除变形，使用时应控制加热的温度及位置，对于低碳钢和普通低合金钢，常采用600-800 ℃的加热温度。由于这种方法需要对工件再次加热至高温，所以对于低合金钢等材料应慎用。火焰校正的方法有以下三种：

(1）、点状加热法：多用于薄板结构产生的失稳变形及波浪变形，加热点的分布应根据工件的变形大小而定。

(2）、线状加热法：多用于矫正角变形，扭曲变形及筒体过大或不圆。这种方法在厚板加工时用得较多。如：角度不对等。

(3）、三角形加热：多用于矫正弯曲变形。利用加热点的收缩来达到矫直的目的。

5.3用火焰矫正的注意事项

(1）、正变形之前应认真分析变形情况，制定矫正工作方案，确定加热位置及矫正步骤。

(2）、认真了解材料性质，然后决定加热温度，以免使易受温度影响的材料在性能上产生变化，对构件产生影响。

(3）、采用水冷配合火焰矫正时，应在钢材冷到不红时再浇水。

(4）、矫正薄板时，热影响区要小，以免产生更大的变形，需要锤击时要用木锤。

(5）、加热火焰一般采用中性焰。

6 结束语

综合分析上述焊接变形的影响因素与减小焊接变形的措施,基本了解焊接变形的原因及变形的种类,针对焊接变形的原因和控制措施从焊接工艺等方面进行改进,有效防止减少焊接变形所带来的危害。