浅析焊接变形的控制以及影响因素

刘勋　张书海

摘 要：焊接是一个极其不平衡的冷却以及加热过程，在这一过程中，焊接部件的结构会发生焊接残余形变，这种形变是无法避免的。并且其将影响到设计的结构完整性，并对制造工艺和结构使用的合理性、稳定性造成不利影响。针对钢结构在焊接中所遇到的技术难点，结合实际的操作经验，文章着重对焊接形变的相关影响原因以及对形变控制的方式进行了论述。

关键词：控制；焊接变形；措施；影响因素

1 影响因素

根据焊接过程中受到热力作用而发生的形变不同可以将焊接形变分为瞬态热变形以及残余变形两种。

焊接变形会受到多种因素的影响，但归纳起来主要受到了工艺、结构以及材料的影响。

1.1 工艺影响

焊接变形受到工艺的影响较多，例如焊接电压量、焊接方法以及构件定位、固定方式和焊接胎架、顺序、夹具等都会对焊接形变造成较大的影响。在各种工艺影响中，对于变形影响较为明显的即焊接顺序，焊接顺序会对焊接的残余形变和应力分布造成直接影响，从而通过焊接顺序改变的方式能够有效降低焊接的变形量。另外，多层焊对于焊接变形的影响也十分巨大，焊接工作人员在实际的操作中通过经验的总结，利用一些特殊的工艺规范以及措施，尽可能的对残余应力进行降低，并减少了焊接的变形，通过有效改善应力分布状态达到预期目的。

1.2 结构影响

焊接变形中最关键的影响因素即焊接结构，同时也是最复杂的影响因素。其对焊接变形的影响主要随着拘束度的改变而改变，由于拘束度变化，焊接处的焊接应力也会随之改变，因而会对焊接变形造成影响，若是拘束度增加则焊接变形会减少。另外焊接的过程中，工件拘束度会发生变化，其自身的结构为变拘束结构，同时还会受到外界的拘束影响。但是在焊接中，一般情况下自身的作用占据主导，并且结构自身会在焊接时发生变化，结构越复杂，变化越大，在对焊接结构进行设计时，需要通过加强板以及筋板等结构对刚性和稳定性进行增加，当发生较大的拘束度变化时，对分析控制焊接变形工作带来了较大的难度。所以需要适当的优化钣金以及结构板的厚度、位置和数量，在焊接变形的控制和降低中具有重要意义。

1.3 材料影响

材料影响不仅仅是说焊接材料的影响，在焊接过程中母材也会对焊接变形造成一定的影响，焊接形变会对材料的物理参数、力学性能以及热物理参数等都会对其造成影响。而在焊接变形中力学性能的影响较为复杂，会从多角度多方面对结果造成影响，其中膨胀系数对于变形的影响较为显著，越大的热膨胀系数会产生越大的变形。同时，温度的变化率越大在材料的高温区其弹性模量、屈服极限也会随着改变，一般而言，形变量会随着弹性模量的增大而减小，但是材料屈服极限越高焊接后其残余应力便会越大，极易造成脆性断裂。另外，过小的塑性形变会使得焊接变形量相对降低，塑形区的减小也会降低焊接变形。

2 控制

2.1 设计控制

2.1.1 尺寸形式的合理选择。焊接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，在保证结构承载能力的条件下，设计时应尽量采用较小的焊缝尺寸。对于受力较大的丁字接头和十字接头，在保证相同的强度条件下，采用开坡口的焊缝可以比一般角焊缝减少焊缝金属，对减小变形有利。

2.1.2 焊缝的数量控制。在进行焊接设计时，对焊接结构中需要适用的筋板应当进行合理的选择，将筋板放置在合理适当的部位，用以降低焊缝的数量，不需要进行焊接的地方尽量避免进行焊接，一次降低形变。

2.1.3 焊缝位置的控制。在对焊接结构进行实际时，应当将焊缝设计为截面中性轴的对称位置，或者尽可能的和中性轴接近，如此能够有效减少挠曲变形。

2.2 工艺控制

从工艺上进行控制主要指构件在生产时，能够通过采用一系列的有效手段，在焊接之前进行变形的预防，并在焊接过程中予以重视，并在焊接后通过一些工艺调整进行控制。

2.2.1 预防措施。该种方式又被称作反变形法，主要是根据焊接变形的方向以及大小，在装配工件的过程中，将焊接的残余形变相反的形变予以应用，即反变形量，同焊后的残余形变相互抵消，以此令工件恢复到原有应当达到的设计尺寸以及需要的几何形状。

在薄板平面构件中，预拉伸法应用较为广泛，大多都在有预先膨胀量的状况或者在板材有预张力的状态下才予以应用。在焊接之后，进行加热或者去除拉伸，使得薄板恢复到原有状态，能够有效的去除或者降低残余应力，对形变予以有效的控制。

通过夹具或者采用刚性胎具进行固定组装的方式，被称作刚性组装法，能够有效的对焊件进行固定，控制角变形以及构件的弯曲变形。

2.2.2 焊接过程中的变形控制。在焊接过程中的控制主要可以通过焊接方式的合理选择以及焊接参数和焊接顺序的科学确定进行，通过随焊两侧加热、跟踪激冷以及碾压等措施有效控制变形量。在焊接方法的选择中，需要选择线能量较低的方式，对焊接规范参数进行有效合理的参数控制，对焊接变形进行有效的预防。通过上述方式可以对残余应力以及焊接变形进行有效的降低和减少。而两侧加热的随焊方式能够使得最大剪切应变以及横纵向的应变分布更加均匀，变化更为平缓，从而对焊接的参与应力以及形变作用进行影响。而碾压的方式则需要考虑到设备以及适用的便捷度问题，因此一般的生产中该种方式不能得到广泛的推广，但是在焊接形变的控制上，随焊碾压的方式效果是最为理想的。而最后的激冷法，在减少变形以及降低残余应力方面的效果也较为理想。

在焊接变形以及残余应力的改变中焊接顺序的影响最大，通过焊接顺序的不同，使用的工艺方式也会有所变化，残余的焊接应力的分布也会发生改变，应力的降低幅度整体来说变化较大，而对于焊接变形的控制上，作用较大，其中多道焊接的方式对于焊接变形的作用更加显著。

2.2.3 变形矫正。在完成焊接之后，通过适当的矫正措施能够对已经出现的形变进行针对性的消除以及矫正，根据应用的方式差异，可以将焊接厚度矫正分为加热方式矫正以及机械方式矫正两种措置。而加热矫正又可以分为局部加热矫正以及整体加热矫正两种方式。

局部加热矫正的方式主要利用火焰对元件的局部予以加热，由于高温作用，材料本身的感性制约会对其热膨胀进行约束，从而会在局部产生压缩塑性形变，在降温冷却过程中发生收缩，从而抵消了由于焊接而造成的伸长变形，用以矫正。

而整体的加热矫正方式则是对构件的整体进行加热，通过加热到锻造温度对构件进行整体性的矫正，该方式能够对较大的形变进行消除。但是该方式在矫正后会发生冶金副作用，所以在应用上受到了限制。

3 结束语

通过上述分析，发现，焊接变形的影响会受到内部和外部因素的多重影响，控制焊接变形的方式需要建立在对该种因素了解的基础之上，并从工艺上进行优化和改进，减少焊后残余应力，并对焊接变形进行消除，以减少由此带来的一些隐患。

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