焊接变形与变形控制

【摘 要】介绍了焊接变形的产生机理,分析影响焊接变形的主要因素和概括变形种类,研究探寻控制变形的一些方法.文章内容对一些焊接结构设计和控制变形操作具有一定的参考作用.

【关 键 词】焊接；焊接变形；焊接应力；变形控制

焊接是机械加工中非常重要的一个工艺环节,但是金属结构件在焊接过程经常会出现一些难以预料的结构变形,严重影响到设备的结构强度和刚度、设计精度及安装工艺,同时也会给生产增加许多额外的工序,延长了生产周期,提高了生产成本,最后造成极大的浪费.因此,了解焊接变形的产生机理,掌握焊接变形形成的主要因素和规律,探寻控制变形的方法,将有利于提高焊接质量以及设备的机械性能,给我们的生产带来重大的影响.

一、焊接变形产生机理

焊接变形是由多种因素交互作用而导致的结果.通常,若仅就其内拘束的效应而言,焊接变形的主要形成原因是由于焊接过程中构件受到不均匀的加热和冷却,焊件各部位金属热胀冷缩的程度不均,焊件各部分相互连接而又相互制约,不能自由的伸长和缩短,使焊件本身产生应力不均匀,导致焊件的变形.其中,焊接变形与焊接应力又同时存在,互为因果.若要控制好焊接变形,则对焊接应力的认识和掌握也必不可少.

二、焊接变形的种类和影响焊接变形的主要因素

1．焊接变形的种类.焊接变形可以区分为在焊接热过程中发生的瞬态热变形和在室温条件下的残余变形.在焊接热循环过程中产生且动态变化的变形为瞬态变形,冷却至室温后所出现的变形为残余变形.就残余变形而言,实际为焊件最终所呈现的变形形态,是对产品设计、加工、装配等工作的直接影响.按其变形形态和方式,基本可以划分为以下常见几种类别：（1）收缩变形.收缩变形主要表现为沿焊缝方向的纵向收缩变形和垂直于焊缝方向的横向收缩变形.（如图1a）（2）角变形.角变形主要出现在堆焊、对接焊、搭接焊或T形接头焊接中,其由于焊缝的横向收缩在板厚度上的分布不均匀所致.（如图1b）（3）扭曲变形.扭曲变形一般出现在框架、杆件或梁柱等一些刚性较大的焊接构件上,由于焊缝角变形沿长度上的分布不均匀性而产生,构件绕自身轴线发生扭曲.（如图1c）（4）压屈失稳变形.压屈失稳变形一般出现在薄板构件上,由远离焊缝区的焊接残余压应力引起的失稳波浪形变形.压屈失稳变形不同于弯曲变形（无论是焊缝纵向收缩、横向收缩或角变形引起的弯曲变形）,此变形的翘曲量一般较大,且失稳变形形态多.（如图1d）

a-收缩变形b-角变形c-扭曲变形d-压屈失稳变形

图1焊接残余变形类别示意

2．影响焊接变形的主要因素.焊接变形的影响是多方面的,但就机械、环境和人为三个因素相对稳定的情况来讲,影响焊接变形的主要因素有以下三个方面.（1）材料因素的影响.材料性能对于焊接变形是很重要的一个影响因素.一般热传导系数越小的材料,温度梯度越大,焊接变形越显著；随着材料热膨胀系数的增加,焊接变形也相应的增加.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.（2）结构因素的影响.焊接结构的设计对焊接变形的影响最为关键.其中包括焊缝分布、焊缝截面积、坡口形式、焊件板的厚度及加强筋板的位置和数量等诸多方面.一般来讲,焊缝在设计时应考虑对称、均部及分散,这样可减小焊件的焊接变形.焊缝截面积越大,冷却时收缩引起的塑性变形量越大,焊缝截面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的,而且是主要的影响因素,因此,当焊件厚度相同时,坡口尺寸越大,收缩变形越大.对于焊件板的厚度及加强筋板的位置、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.比如焊接方法、焊接热输入量、焊接顺序、构件的定位或固定方式、焊胎及夹具的应用等.首先要选择正确的焊接方法,不同的方法造成热输入量也不同,加热的高温区范围大,冷却速度慢,使接头塑性变形区增大.焊接顺序对焊接变形的影响较为显著.一般情况下,不同的焊接顺序焊后将产生不同的变形量,所以在焊接时应尽量采取以下焊接方法：对称焊接,焊缝不对称时,先焊焊缝少的一侧.

三、控制变形的方法

了解了焊接变形的机理和影响因素后,我们就得探求一些控制和消除变形的方法和手段,以提高焊接的质量.在工程实践中,积累和沉淀下了很多控制变形的措施方法,现总结归纳如下：（1）改进焊接结构.合理选择焊缝结构的形式和尺寸,避免焊缝的不均匀布置和集中分布,减少不必要的焊缝,都能有效控制焊接变形.（2）采用刚性固定法.对于刚性较小的焊接件,合理采用刚性好的夹具、支撑件、焊胎等辅助器具加以固定可以减小焊件的变形.（3）预留收缩变形余量.根据理论计算和现场经验,对焊件预先预留收缩变形量或加工量,保证焊后能够达到设计尺寸要求.（4）采用反变形法.根据理论计算和现场经验,预先把焊件人为地加工或设置产生一个变形,使这个变形与焊后发生的变形方向相反而数值相等,这样变形与反变形就能在焊后得到抵消.（如图2所示）（5）采用合理的焊接方法.不同的焊接方法带来不同的线能量,选用线能量比较低的焊接方法,可以有效地减小焊接塑性压缩区,从而减小焊接变形.（6）采用合理的装配焊接顺序.对焊件适当的划分为部件、组件进行组焊后,再进行部分间的焊接,提高了组对的精度,减少了焊接变形.（7）焊前预热和焊后消应力处理.焊前预热可使焊缝周围母材温度升高,从而降低焊缝金属与周围母材的温差,降低焊接收缩内应力,减少焊接变形.对于焊接变形预先的控制是一个很重要的工作环节,但对于焊后出现的变形纠正也是对焊接质量的有效保证.

图2反变形法焊接示意

在实际的焊接过程中,焊接变形的控制是保证焊接质量的重要环节.但因为材料、结构以及焊接环境等因素的复杂性,要保证焊接质量就必须根据现场条件、焊接结构、焊接工艺和已有的经验进行具体分析,采用合理的焊接方法和控制措施,以控制和消除焊接变形.所以,就焊接和焊接变形而言,我们应该不断的在实践中总结、积累经验,加深理论学习,提高焊接和控制焊接变形的技术求平.