常見焊接變形的影響因素及預(yù)防措施

王振毅，馬宏程

中國石化集團中原石油勘探局鉆井一公司，河南濮陽 457331

0 引言

焊接變形是焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，它不但影響焊接結(jié)構(gòu)的尺寸準(zhǔn)確和外形美觀，而且有可能降低結(jié)構(gòu)的承載能力，引起事故。當(dāng)結(jié)構(gòu)件上出現(xiàn)了焊接變形時，就需要花許多工時去矯正。比較復(fù)雜的變形，矯正的工作量可能比焊接工作量還要大。當(dāng)變形太大，無法矯正時，就造成了廢品。因此了解和掌握焊接變形的種類、影響因素和規(guī)律對控制焊接變形具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 焊接變形的定義及分類

焊接變形是由于焊接時在金屬構(gòu)件中產(chǎn)生不均勻溫度場所造成的內(nèi)應(yīng)力達到材料的屈服限，使局部區(qū)域產(chǎn)生的塑性變形。當(dāng)溫度恢復(fù)到原始的均勻狀態(tài)后，在構(gòu)件內(nèi)就產(chǎn)生了新的內(nèi)應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力是溫度均勻后殘存于構(gòu)件中的，所以稱為殘余應(yīng)力，由此產(chǎn)生的焊接變形就稱為焊接殘余變形。

焊接變形一般按照變形的特點分為以下7類：

1）縱向收縮變形，即構(gòu)件焊后在焊縫方向發(fā)生收縮；

2）橫向收縮變形，即構(gòu)件焊后在垂直焊縫方向發(fā)生收縮；

3）撓曲變形，構(gòu)件焊后發(fā)生撓曲，這種撓曲可由焊縫的縱向收縮引起，也可由焊縫橫向收縮引起；

4）角變形，即焊后構(gòu)件的平面圍繞焊縫產(chǎn)生了角位移；

5）波浪變形。焊后構(gòu)件出現(xiàn)波浪形狀，這種變形在薄板焊接時最容易發(fā)生；

6）錯邊變形。在焊接過程中，兩焊接件的熱膨脹不一致，可能引起長度方向上的錯邊，也可能引起厚度方向上的錯邊；

7）螺旋變形。焊后結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)類似麻花、螺旋形的扭曲。

2 焊接變形的基本規(guī)律及影響因素

2.1 縱向收縮變形以及由它所引起的撓曲變形

縱向收縮變形量的大小主要取決于構(gòu)件的長度、截面積和壓縮塑性變形的大小。而壓縮塑性變形與焊接參數(shù)、焊接方法、焊接順序以及材料的熱物理參量有關(guān)。在這些工藝因素中，焊接線能量（Q=q/v，q為能量，v為焊接速度）是主要的。在一般情況下，縱向收縮變形與焊接線能量成正比的關(guān)系。對于同樣截面積的焊縫來講，多層焊每次所用的焊接線能量比單層焊時小得多，所以多層焊時引起的縱向收縮比單層焊小。分的層數(shù)越多，每層所用的線能量就越小，變形也越小。同理，間斷焊的縱向收縮變形要比連續(xù)焊時小得多。

當(dāng)焊縫在構(gòu)件中的位置不對稱時，焊縫引起的應(yīng)力就是不均勻的，這樣它不但使構(gòu)件縮短，同時還使構(gòu)件彎曲，產(chǎn)生撓曲變形。

2.2 橫向收縮變形及其產(chǎn)生的撓曲變形

橫向變形的大小與焊接線能量和板厚有關(guān)，隨著焊接線能量的提高，橫向收縮量增加；隨著板厚的增加，橫向收縮量減少。

橫向變形沿焊縫長度上的分布并不均勻。這是因為先焊的橫向收縮對后焊的焊縫產(chǎn)生一個擠壓作用，使后者產(chǎn)生更大的橫向壓縮變形。因此，焊縫的橫向收縮沿著焊接方向是由小到大逐漸增長的，到一定程度后趨于穩(wěn)定。

另外，采用埋弧自動焊時橫向收縮量比板厚相近的手工電弧焊的橫向收縮變形量小，采用氣焊時橫向收縮量比手工電弧焊的橫向收縮量大。

如果橫向焊縫在結(jié)構(gòu)上分布不對稱，那么它的橫向收縮也能引起結(jié)構(gòu)的撓曲變形。

2.3 角變形

在堆焊、對接、搭接和丁字接頭的焊接時，由于橫向收縮變形在厚度方向上的不均勻分布，往往會產(chǎn)生角變形。

角變形的大小取決于構(gòu)件的壓縮塑性變形的大小和分布情況，同時也取決于板的剛度。對于同一種板厚，隨著焊接線能量的增加，正反兩面塑性變形量的差值將增加，角變形量也將增加。但當(dāng)線能量達到某一值時，角變形不再上升，如果進一步提高線能量，反而會出現(xiàn)角變形減小的現(xiàn)象。這是因為線能量的進一步提高，使得板背面的溫度隨著提高，正反兩面的塑性變形量的差值可能降低，所以角變形反而減少。

對于同樣的板厚和坡口形式，多層焊比單層焊角變形大，焊接層數(shù)越多，角變形越大。另外多道焊比多層焊的角變形要大。

2.4 波浪變形

波浪變形一般在薄板焊接時出現(xiàn)較多。這是因為在薄板焊接時，由于焊接應(yīng)力的作用，薄板可能發(fā)生失穩(wěn)（薄板在承受壓力時，當(dāng)其中的壓應(yīng)力達到某一臨界數(shù)值時，薄板將因出現(xiàn)波浪變形而喪失承載能力，這種現(xiàn)象通常稱為失穩(wěn)），從而產(chǎn)生波浪變形。

降低波浪變形可以從降低壓應(yīng)力和提高臨界應(yīng)力兩方面著手。因壓應(yīng)力的大小和拉應(yīng)力的區(qū)域大小成正比，故減小塑性變形區(qū)就可能降低壓應(yīng)力的數(shù)值。CO2氣體保護焊所產(chǎn)生的塑性變形區(qū)比氣焊和手工電弧焊小，斷續(xù)焊比連續(xù)焊小，接觸點焊比熔化焊小，小尺寸的焊縫比大尺寸的焊縫小。因此，采用塑性變形區(qū)小的焊接方法和措施就可以減少波浪變形。

2.5 焊接錯邊

焊接過程中對接邊的熱不平衡是造成焊接錯邊的主要原因。另外焊接件的兩邊剛度不同也會造成錯邊，因為剛度越大的焊接邊的位移越小，造成兩邊在焊接中不同步位移，從而產(chǎn)生錯邊。

2.6 螺旋形扭曲變形

產(chǎn)生螺旋形扭曲變形的主要原因是由于焊縫角變形沿長度上的分布不均勻性和工件的縱向錯邊造成的。這種變形在較長梁形構(gòu)件焊接時比較常見。

3 焊接變形的預(yù)防錯施

焊接殘余變形可以從設(shè)計和工藝兩個方面來進行預(yù)防。

3.1 設(shè)計預(yù)防措施

3.1.1 合理地選擇焊縫的尺寸和形式

焊縫尺寸直接關(guān)系到焊接工作量和焊接變形的大小。焊縫尺寸大，不僅焊接量大，而且焊接變形也大。所以在設(shè)計焊縫尺寸時應(yīng)該在保證焊接質(zhì)量的前提下，按照構(gòu)件的板厚來選取工藝上盡可能小的焊縫尺寸。

不同的焊縫坡口形式所需要的焊縫金屬量相差很大，應(yīng)該選用焊縫金屬少的坡口形式，以有利于減小焊接變形。

3.1.2 盡可能減少不必要的焊縫

在條件允許的情況下，通過壓型等加工手段來提高構(gòu)件的剛性和穩(wěn)定性，比采用拼接或增加加強筋的焊接方式更能夠減少焊接變形。

3.1.3 合理地安排焊縫的位置

在焊接構(gòu)件設(shè)計時，安排焊縫時盡可能地對稱于截面中性軸，或者使焊縫接近于中性軸，這對減少梁、柱等一類結(jié)構(gòu)的撓曲變形有良好的效果。

3.2 工藝預(yù)防措施

3.2.1 反變形法

反變形法就是事先估計好結(jié)構(gòu)變形的大小和方向，然后在裝配時給予一個相反方向的變形，這個變形與焊接變形相互抵消，從而使焊后構(gòu)件保持設(shè)計要求。

3.2.2 剛性固定法

在沒有反變形的情況下，將構(gòu)件使用強行固定的方法或手段來限制焊接構(gòu)件的變形。使用這種方法防止角變形和波浪變形效果比較好。

3.2.3 合理地選擇焊接方法和規(guī)范

通過前面的分析可以知道，選用焊接線能量較低的焊接方法，可以有效地防止焊接變形。

3.2.4 選擇合理的裝配焊接順序

在實際焊接生產(chǎn)中，通過把結(jié)構(gòu)件適當(dāng)?shù)胤殖蓭讉€部件，分別加以裝配焊接，然后再將這些焊好的部件拼焊成一個整體，可以使那些不對稱的或收縮力較大的焊縫自由地收縮，而不影響整體結(jié)構(gòu)，從而控制結(jié)構(gòu)的焊接變形。

綜上所述，只要在實際焊接生產(chǎn)中充分掌握了焊接變形的規(guī)律和預(yù)防焊接變形的措施，就能夠最大限度地減少焊接變形，從而降低矯正焊接變形的工時，提高整體焊接生產(chǎn)的工作效率。

[1]陳祝年.焊接工程師手冊.機械工業(yè)出版社,2002.