焊接变形的产生和控制措施

摘要：随着社会经济与技术的不断发展，现代焊接向着大型化、高精度的方向发展。在石油石化、化工、航天等领域各种钢结构的焊接制造中，从设计、生产全过程采取科学有效措施减小金属结构的焊接应力与变形，提高产品制造焊接质量，具有十分重要的意义。

关键词：焊接应力；焊接变形；控制措施

Abstract: along with the social economy and the development of technology, modern large scale, high precision welding towards direction. In petroleum and petrochemical industry, chemical industry, aviation, etc all kinds of steel structure of the welding manufacturing, from the design, the production process to take effective measures to reduce the science of the metal structure welding stress and deformation, improve products manufacturing welding quality, has the extremely vital significance.

Key words: the welding stress; The welding deformation; Control measures

中图分类号：P755.1 文献标识码：A文章编号：

前言：在焊接过程中，由于焊接金属温度的不均匀变化而产生焊接应力，以至于使金属钢结构的形状产生变形，因此，通过对焊接应力与变形的分析和研究，从结构设计和焊接工艺等方面采取科学的措施加以控制，是提高焊接质量的有效方法。

一、焊接应力和焊接变形的产生原因

产生焊接应力与变形的基本原因，第一是焊接时，由于焊缝局部加热到高温状态，焊件温度不均匀分布，造成钢结构不均匀冷却收缩而产生变形。其次，在焊接时，由于不同焊接热循环作用引起金相组织发生转变，随之而出现体积的变化，当体积变化受到周围金属阻碍时便产生了应力，从而出现整体变形。

焊接变形分为局部变形和整体变形。局部变形指焊接结构的某部分发生变形，在焊接中易于矫正；整体变形指整个结构的形状或尺寸发生变化，是由于焊接在各个方向上收缩不均所引起的，这在焊接中尤为重要，一般不允许发生整体变形。焊接变形产生的原因很多，不均匀的局部加热和冷却是最主要原因。焊接时，焊件局部加热到熔化状态，形成了温度不均匀分布区，使焊接出现不均匀的热膨胀，热膨胀受到周围金属的阻碍不能自由膨胀而受到压应力，周围的金属则受到拉应力。当被加热金属受到的压应力超过屈服点时，就会产生塑性变形；焊接冷却时，由于加热的金属在加热时已产生了压缩的塑性变形，所以，最后的长度要比未被加热金属的长度短些，从而产生变形。

除此之外，焊接方法、接头形式、坡口形式、坡口角度、焊接装配间隙、对口质量、焊接速度和焊接顺序等都会对焊接应力和变形造成影响。

二、焊接应力变形的控制措施与消除方法

焊接变形主要决定于结构的设计参数（包括焊件结构的几何形状、板厚及焊缝类型等）、材料参数（包括基体材料、焊接材料的种类和状态等）和制作因素（包括焊接工艺、焊接参数、组焊程序等）等因素。因此控制焊接变形必须从这些因素入手。

1、从焊接设计方面控制焊接变形的方法措施

（1）尽量减少焊缝数量

在设计焊缝结构时应当避免不必要的焊缝，尽量选用型钢、冲压件代替焊接件，通过减少肋板数量来减少焊接数量和矫正变形的工作量。

（2）合理选择焊缝形状和尺寸

对于板厚较大的对接接头应选X型坡口代替V型坡口。通过减少熔敷金属填充量来减少焊接变形。在保证有足够能力条件下，应尽量选用较小的焊缝尺寸。对于主要考虑刚度要求的T形接头，在工艺上应选用合理的最小焊脚尺寸，采用断续焊缝比连续焊缝更能减少变形。

当要求按设计强度计算T形接头的角焊缝尺寸时，应采用连续焊缝，不应采用与之等强的断续焊缝，并尽量采用双面连续焊缝等强度代替单面连续焊缝，以减小焊角尺寸。

对于受力较大的T形或十字接头，在保证相同强度的条件下，尽量采用开坡口的角焊缝（复合焊缝），减少焊缝填充金属，降低焊缝变形量。

（3）合理设计结构形式及焊缝位置。设计结构时应考虑焊接工作量最小以及部件总装时的焊接变形量最小。对于薄板结构，应选合适的板厚、减少骨架间距及焊角尺寸，以提高结构的稳定性、减少破浪变形。此外，还应尽量避免曲线形结构设计，因为采用平面结构，可使焊接装备比较简单，易于控制焊接变形

由于焊缝的横向收缩比纵向收缩显著，因此应尽量将焊缝布置在要求焊接变形量最小的方向。焊缝的位置应尽可能靠近截面中心轴，并且尽量对称于该中心轴，以减少结构的弯曲变形。

2、事前、事中控制焊接变形的工艺方法措施

（1）反变形

焊前将构件装配成焊接变形相反方向的预先反变形，反变形的大小应以能抵消焊后形成的变形为准。这种预制的反变形可以是弹性的、塑性的或弹塑性的。

（2）刚性固定

将构件加以固定来限制焊接变形，对于钢度小的结构，可以采用胎卡具或者临时支承等措施，增加该结构在焊接时的刚度，以减少焊接变形量。结构钢度越大，利用刚性固定法控制弯曲变形的效果越差。刚性固定法对焊后角变形及波浪变形较为有效。

（3）选择合理的装配焊接顺序

构件在装配过程中，截面的重心位置在不断变化，因而不同的焊接顺序会产生不同焊接应力，所以同样的构件，采用不同的装配焊接顺序，就产生的不同的变形量，通常将构件分成若干部件，分别装配焊接，在实际组焊时可视设计具体结构具体分析，对于重要的构件还应进行模拟试验。

对于分部在中心线两侧的焊缝，通常先焊的一侧焊缝所产生的弯曲变形比后焊的的一侧产生的变形要大。所以，确定焊接顺序原则是：焊缝少的一侧先焊，长度短的焊缝先焊，对于截面形状、焊缝布置均匀对称的结构件，应当采用对称焊接施工。

（4）选用合理的焊接方法及焊接参数

选用线能量密度较高的焊接方法，可以减少焊接变形。虽然焊接热输入量较小时，可以减少焊接变形，但从焊接生产率来考虑，热输入又不宜过低。采用跳焊、逐步退焊等措施，可以改变焊接温度场，减少焊接变形量。选用不同的焊接参数，也可以控制及调节弯曲变形，例如，对于设计截面不对称的梁，选用较小的焊接参数用来焊接远离截面中心轴的焊缝，可以调节梁的弯曲变形，以达到抵消其他焊缝所造成的弯曲变形。

（5）预伸拉法

采用机械预拉伸、加热预拉伸或者机械与加热两种方法同事使用的预拉伸，可以使薄板预先得到拉伸与伸长，这在张紧的薄板上如果装配焊接骨架，可以很好的防止波浪变形。

3、事后焊接变形的矫正

根据上述焊接应力产生的原理，如果采用焊接的方法，理论上焊接应力则不可能为零，而有应力就有可能带来变形。

（1）机械矫正法

虽然在焊接过程中通过上述方法可以减少变形，但是最后一旦产生了焊接变形，还可以采用手工锤击、压力机等机械方法使构件的材料产生的新的塑性变形，使原来缩短的部分得到延伸，从而矫正了变形，恢复原始形状。对于薄板拼焊件的矫正，也可常采用轮碾压焊缝及两侧使之延伸来消除变形

（2）火焰矫正法

火焰加热所产生的局部压缩塑性变形，使金属材料通过在冷却后缩短来抵消原有变形。实际操作时，一定注意控制加热的温度及位置，例如对于低碳钢和普通低合金钢，常采用600-800℃的温度。由于这种方法需要对构件再次加热至高温后冷却，所以对于合金钢等材料应当慎重，特别是对合金含量高以及对热处理敏感的母材。

1）火焰矫正的方法：

a、点状加热法：多用于薄板结构，一般加热点直径d≥15mm，加热点离焊缝中心距为50-100mm。

b、线状加热法：多用于矫正角变形、扭曲变形及筒体直径过大或因压头滚板椭圆度超标。

c、三角形加热法：多用于矫正弯曲变形。

利用火焰法矫正注意事项

a、矫正变形之前，应认真分析具体情况，制定矫正方案，确定加热位置及矫正步骤。

b、全面了解被矫正结构的材料性质。焊接性好的材料，火焰矫正后材料性能变化小，对于经热处理的高强度钢，加热温度不应超过其回火温度。

c、当采用冷水配合火焰矫正时，应在保证不影响金相组织条件下再浇水。

d、矫正薄板需锤击时，应采用木锤。

e、加热火焰一般采用中性火焰，避免带来渗碳或氧化。

三、结论

当前社会通过焊接方法制造钢制产品是一种主要的生产方法，由于焊接金属温度的不均匀变化，焊接就可能产生焊接应力，而有应力就有可能使金属钢结构产生焊接变形。然而只要通过选择正确的结构设计和焊接工艺方法措施以及正确变形矫正方法，就完全可以对焊接应力和变形进行控制，从而保证钢结构的产品质量，减少不合格品，服务于石油建设和社会需求。

参考文献：

[1]张洪哲 田辉鹅 《焊接应力和变形的控制方法》[J]企业科技与发展 2009（2）

[2]朱江《焊接变形的控制和预防》[J] 电焊机 2009（8）

[3]熊大胜《减少大型焊接结构件变形的措施》[J] 金属加工（热加工）2010 （2）