淺析焊接變形的控制以及影響因素

劉勛　張書海

摘 要：焊接是一個極其不平衡的冷卻以及加熱過程，在這一過程中，焊接部件的結(jié)構(gòu)會發(fā)生焊接殘余形變，這種形變是無法避免的。并且其將影響到設(shè)計的結(jié)構(gòu)完整性，并對制造工藝和結(jié)構(gòu)使用的合理性、穩(wěn)定性造成不利影響。針對鋼結(jié)構(gòu)在焊接中所遇到的技術(shù)難點，結(jié)合實際的操作經(jīng)驗，文章著重對焊接形變的相關(guān)影響原因以及對形變控制的方式進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：控制；焊接變形；措施；影響因素

1 影響因素

根據(jù)焊接過程中受到熱力作用而發(fā)生的形變不同可以將焊接形變分為瞬態(tài)熱變形以及殘余變形兩種。

焊接變形會受到多種因素的影響，但歸納起來主要受到了工藝、結(jié)構(gòu)以及材料的影響。

1.1 工藝影響

焊接變形受到工藝的影響較多，例如焊接電壓量、焊接方法以及構(gòu)件定位、固定方式和焊接胎架、順序、夾具等都會對焊接形變造成較大的影響。在各種工藝影響中，對于變形影響較為明顯的即焊接順序，焊接順序會對焊接的殘余形變和應(yīng)力分布造成直接影響，從而通過焊接順序改變的方式能夠有效降低焊接的變形量。另外，多層焊對于焊接變形的影響也十分巨大，焊接工作人員在實際的操作中通過經(jīng)驗的總結(jié)，利用一些特殊的工藝規(guī)范以及措施，盡可能的對殘余應(yīng)力進(jìn)行降低，并減少了焊接的變形，通過有效改善應(yīng)力分布狀態(tài)達(dá)到預(yù)期目的。

1.2 結(jié)構(gòu)影響

焊接變形中最關(guān)鍵的影響因素即焊接結(jié)構(gòu)，同時也是最復(fù)雜的影響因素。其對焊接變形的影響主要隨著拘束度的改變而改變，由于拘束度變化，焊接處的焊接應(yīng)力也會隨之改變，因而會對焊接變形造成影響，若是拘束度增加則焊接變形會減少。另外焊接的過程中，工件拘束度會發(fā)生變化，其自身的結(jié)構(gòu)為變拘束結(jié)構(gòu)，同時還會受到外界的拘束影響。但是在焊接中，一般情況下自身的作用占據(jù)主導(dǎo)，并且結(jié)構(gòu)自身會在焊接時發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，變化越大，在對焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，需要通過加強(qiáng)板以及筋板等結(jié)構(gòu)對剛性和穩(wěn)定性進(jìn)行增加，當(dāng)發(fā)生較大的拘束度變化時，對分析控制焊接變形工作帶來了較大的難度。所以需要適當(dāng)?shù)膬?yōu)化鈑金以及結(jié)構(gòu)板的厚度、位置和數(shù)量，在焊接變形的控制和降低中具有重要意義。

1.3 材料影響

材料影響不僅僅是說焊接材料的影響，在焊接過程中母材也會對焊接變形造成一定的影響，焊接形變會對材料的物理參數(shù)、力學(xué)性能以及熱物理參數(shù)等都會對其造成影響。而在焊接變形中力學(xué)性能的影響較為復(fù)雜，會從多角度多方面對結(jié)果造成影響，其中膨脹系數(shù)對于變形的影響較為顯著，越大的熱膨脹系數(shù)會產(chǎn)生越大的變形。同時，溫度的變化率越大在材料的高溫區(qū)其彈性模量、屈服極限也會隨著改變，一般而言，形變量會隨著彈性模量的增大而減小，但是材料屈服極限越高焊接后其殘余應(yīng)力便會越大，極易造成脆性斷裂。另外，過小的塑性形變會使得焊接變形量相對降低，塑形區(qū)的減小也會降低焊接變形。

2 控制

2.1 設(shè)計控制

2.1.1 尺寸形式的合理選擇。焊接尺寸直接關(guān)系到焊接工作量和焊接變形的大小。焊縫尺寸大，不但焊接量大，而且焊接變形也大，因此，在保證結(jié)構(gòu)承載能力的條件下，設(shè)計時應(yīng)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(qiáng)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。

2.1.2 焊縫的數(shù)量控制。在進(jìn)行焊接設(shè)計時，對焊接結(jié)構(gòu)中需要適用的筋板應(yīng)當(dāng)進(jìn)行合理的選擇，將筋板放置在合理適當(dāng)?shù)牟课?，用以降低焊縫的數(shù)量，不需要進(jìn)行焊接的地方盡量避免進(jìn)行焊接，一次降低形變。

2.1.3 焊縫位置的控制。在對焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行實際時，應(yīng)當(dāng)將焊縫設(shè)計為截面中性軸的對稱位置，或者盡可能的和中性軸接近，如此能夠有效減少撓曲變形。

2.2 工藝控制

從工藝上進(jìn)行控制主要指構(gòu)件在生產(chǎn)時，能夠通過采用一系列的有效手段，在焊接之前進(jìn)行變形的預(yù)防，并在焊接過程中予以重視，并在焊接后通過一些工藝調(diào)整進(jìn)行控制。

2.2.1 預(yù)防措施。該種方式又被稱作反變形法，主要是根據(jù)焊接變形的方向以及大小，在裝配工件的過程中，將焊接的殘余形變相反的形變予以應(yīng)用，即反變形量，同焊后的殘余形變相互抵消，以此令工件恢復(fù)到原有應(yīng)當(dāng)達(dá)到的設(shè)計尺寸以及需要的幾何形狀。

在薄板平面構(gòu)件中，預(yù)拉伸法應(yīng)用較為廣泛，大多都在有預(yù)先膨脹量的狀況或者在板材有預(yù)張力的狀態(tài)下才予以應(yīng)用。在焊接之后，進(jìn)行加熱或者去除拉伸，使得薄板恢復(fù)到原有狀態(tài)，能夠有效的去除或者降低殘余應(yīng)力，對形變予以有效的控制。

通過夾具或者采用剛性胎具進(jìn)行固定組裝的方式，被稱作剛性組裝法，能夠有效的對焊件進(jìn)行固定，控制角變形以及構(gòu)件的彎曲變形。

2.2.2 焊接過程中的變形控制。在焊接過程中的控制主要可以通過焊接方式的合理選擇以及焊接參數(shù)和焊接順序的科學(xué)確定進(jìn)行，通過隨焊兩側(cè)加熱、跟蹤激冷以及碾壓等措施有效控制變形量。在焊接方法的選擇中，需要選擇線能量較低的方式，對焊接規(guī)范參數(shù)進(jìn)行有效合理的參數(shù)控制，對焊接變形進(jìn)行有效的預(yù)防。通過上述方式可以對殘余應(yīng)力以及焊接變形進(jìn)行有效的降低和減少。而兩側(cè)加熱的隨焊方式能夠使得最大剪切應(yīng)變以及橫縱向的應(yīng)變分布更加均勻，變化更為平緩，從而對焊接的參與應(yīng)力以及形變作用進(jìn)行影響。而碾壓的方式則需要考慮到設(shè)備以及適用的便捷度問題，因此一般的生產(chǎn)中該種方式不能得到廣泛的推廣，但是在焊接形變的控制上，隨焊碾壓的方式效果是最為理想的。而最后的激冷法，在減少變形以及降低殘余應(yīng)力方面的效果也較為理想。

在焊接變形以及殘余應(yīng)力的改變中焊接順序的影響最大，通過焊接順序的不同，使用的工藝方式也會有所變化，殘余的焊接應(yīng)力的分布也會發(fā)生改變，應(yīng)力的降低幅度整體來說變化較大，而對于焊接變形的控制上，作用較大，其中多道焊接的方式對于焊接變形的作用更加顯著。

2.2.3 變形矯正。在完成焊接之后，通過適當(dāng)?shù)某C正措施能夠?qū)σ呀?jīng)出現(xiàn)的形變進(jìn)行針對性的消除以及矯正，根據(jù)應(yīng)用的方式差異，可以將焊接厚度矯正分為加熱方式矯正以及機(jī)械方式矯正兩種措置。而加熱矯正又可以分為局部加熱矯正以及整體加熱矯正兩種方式。

局部加熱矯正的方式主要利用火焰對元件的局部予以加熱，由于高溫作用，材料本身的感性制約會對其熱膨脹進(jìn)行約束，從而會在局部產(chǎn)生壓縮塑性形變，在降溫冷卻過程中發(fā)生收縮，從而抵消了由于焊接而造成的伸長變形，用以矯正。

而整體的加熱矯正方式則是對構(gòu)件的整體進(jìn)行加熱，通過加熱到鍛造溫度對構(gòu)件進(jìn)行整體性的矯正，該方式能夠?qū)^大的形變進(jìn)行消除。但是該方式在矯正后會發(fā)生冶金副作用，所以在應(yīng)用上受到了限制。

3 結(jié)束語

通過上述分析，發(fā)現(xiàn)，焊接變形的影響會受到內(nèi)部和外部因素的多重影響，控制焊接變形的方式需要建立在對該種因素了解的基礎(chǔ)之上，并從工藝上進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，減少焊后殘余應(yīng)力，并對焊接變形進(jìn)行消除，以減少由此帶來的一些隱患。

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