薄板结构焊接变形的预测与控制

赵彬

摘 要：现阶段，随着我国工业制造技术的发展和进步，薄板结构逐渐被广泛应用于汽车、铁路、海上船舶等多个领域的生产实践中。因薄板结构在焊接环节受多种因素影响，极易出现焊接变形，既降低了其结构强度，又缩短了其使用寿命。围绕薄板结构，着重对焊接环节较易导致变形的原因加以预测和控制，以期为提高薄板结构的焊接质量提供借鉴。

关键词：薄板结构；焊接质量；收缩变形；弯曲变形

中图分类号：TG457.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.04.060

薄板结构在工业生产和制造领域中的应用较为普遍，各行业在使用薄板结构时，在焊接过程中均易出现变形问题，从而影响到薄板结构的焊接质量。基于此，在应用薄板结构时，应对导致其焊接变形的原因加以分析，并在此基础上做好焊接变形的预测和控制工作，以保障薄板结构的焊接质量，延长其使用寿命。

1 薄板结构焊接变形的原因和类型

薄板结构焊接变形产生的最主要的原因是在焊接时，因受热面不均衡而导致薄板焊接区出现温差。薄板材料焊接温度较高的区域受高温影响而膨胀，而焊接温度较低的区域，其膨胀量要小于高温区域，因此无法自由膨胀，导致内应力产生。在内应力的作用下，焊接温度较高的区域就极易发生压缩应变，进而造成薄板结构焊缝及其周边金属收缩，而其他部位的金属不具备同样的温度条件，出现反收缩现象，在收缩和反收缩的应力作用下，薄板结构就出现了不同程度的变形。

除了因焊接温度不同而引发薄板内应力变化这一根本原因外，焊接方法和焊接材料的选择也是引发薄板结构焊接变形的重要因素。薄板结构焊接变形的类型主要有以下几种：①收缩变形。依据焊缝方向的不同，收缩变形又可以分为横向收缩变形和纵向收缩变形。②弯曲变形。弯曲变形是在收缩变形的基础上形成的，主要包括横向弯曲变形和纵向弯曲变形两类。③扭曲变形。这一变形类型源于薄板结构件轴线扭曲。④波浪变形。波浪变形的产生与焊接时的压缩应力有很大的关系。

2 薄板结构焊接变形的预测和分析

在薄板结构焊接变形的预测和分析方面，业界主要采用有限元方法，即“FEM”法，对焊接过程加以跟踪和检测，以获取、计算薄板结构焊接中产生的变形精确值。在采用有限元方法时，如果涉及到焊接温度、焊接相变、焊接塑性等变量的计算和分析，可以采用固有应变法辅助。此外，固有应变法适用于结构较为复杂、型号和规格较大的薄板结构件。对于薄板焊接环节热应力及其变量的跟踪和计算，主要采用热弹塑性分析法对在焊接薄板结构时产生的应力和变形情况进行分析。随着工业测绘技术和新兴技术的发展，现阶段，在薄板结构焊接变形的预测方面出现了结构屈曲分析和热弹塑性模拟等技术。这些二维或三维模拟、计算技术的运用，可以简化预测和计算流程，提升预测的精确性。比如在对碳素结构钢，即Q25薄板结构进行焊接时，要求材料厚度为5 mm，焊接方式为气保焊；在对其进行焊接变形预测时，可以采用CAE软件建立FEM模型，然后获取焊缝大小、焊接应力、焊接温度等变量值，并借助三维结构屈曲分析方法、模拟软件模型、有限元软件、焊接变形计算公式等对薄板结构焊接变形加以预测和分析。

3 薄板结构焊接变形的控制方法

3.1 科学选择焊缝位置和焊缝形式

在选择焊缝位置和焊缝形式时，需要注意以下几点：①在焊接薄板结构时，对于焊缝位置的选择，应使其与薄板截面的中轴对称，尽量缩短焊缝与薄板中轴间的距离。为避免焊缝集中于薄板中轴，导致其焊接弯曲变形程度加深，可以采用弱对称放置方式，以减少焊接变形。②由于薄板横、纵向收缩在表现上呈现出一定的差异性，因此，所选的焊缝位置要尽量平行于薄板焊接变形和收缩程度较小的部位。③在薄板结构焊接设计环节，要对薄板结构的分部件予以足够重视，及时做好分部件的焊接工作。④在确定薄板焊接平板厚度时，应尽量缩短骨架间距，并调低焊缝和焊脚的位置，从而使薄板在焊接过程中保持较高的稳定性，以减少焊接变形。⑤在选择薄板结构焊接设计方法时，应尽量避开曲线构件较多的设计方法，优先选择焊接夹具较为简单的设计方法。

3.2 合理选择焊接工艺

在薄板结构的焊接中，焊接工艺包括反变形焊接工艺和刚性固定变形工艺。在焊接过程中，应采用科学的焊接工艺，达到减少焊接变形的目的。薄板结构的反变形焊接工艺是指通过对薄板结构在焊接过程中所产生的焊缝方向和焊缝变形加以预测，使薄板结构焊接变形朝着相反的方向，从而达到消除变形应力的目的。薄板结构的刚性固定焊接工艺是指借助刚性焊接夹具，将薄板焊接件加以固定，以达到增强薄板结构件刚度的目的。薄板焊接件的固定应在焊缝完全冷却后进行。

为了使薄板结构焊接变形的控制效果更加明显，可以在选用以上两种焊接工艺的基础上，合理搭配其他类型的焊接工艺。比如，为了避免在规格较小的薄板结构中形成焊接热场，可以采用散热法对其温度应力进行消除，以最大限度地减少焊接变形；在薄板结构焊接开始前，可以采用压铁法辅助，即在薄板结构的焊接缝旁设置压铁，以控制焊接变形量；为了避免薄板结构在焊接中出现压缩失稳现象，可以采用低应力的焊接工艺，即在焊接应力产生时，采用铜块垫置、刚性固定和通水冷却等方式分散或消除应力。

3.3 提高焊接方法的科学性和规范性

在焊接时，一方面，要根据薄板结构的焊接要求选择相应的焊接工艺；另一方面，要注意科学、规范操作，以保障焊接质量。在选择焊接方法时，需要注意以下三点：①焊接方法的能量密度数值应较高，以减少焊接变形；②要限制焊接线能量，以有效控制焊接变量；③对于薄板结构件对称性不佳的情况，在焊接参数和焊接夹具的选择上应有所变化，焊接参数的设置和选取以能够有效控制焊接弯曲变形为准。

严格控制焊缝数量十分重要。从产生机理来看，焊接变形产生的根本原因是受热均衡程度不一，因此，其变形多发生于焊缝处。为此，在设置焊缝数量时，要本着少设的原则，减少不必要的焊缝；在焊接件的选择上，应该优先选择冲压件和型钢件。

在焊缝缺陷的矫正方面，要采用相应的矫正方法。常用的矫正方法主要有以下两种：①火焰加热法。该方法是指用气体火焰对薄板焊接构件进行加热处理，并对塑性变形和冷却变形加以矫正。②机械矫正法。该方法所用的矫正机械为锤、辊等，通过对薄板结构施加外力，降低其变形程度。需要注意的是，不管采用哪一种矫正方法，都要结合薄板结构的焊接环境、用具、温度等因素，以提高矫正质量。

4 结束语

综上所述，薄板结构在焊接过程中出现的变形问题是薄板结构设计、制造及焊接行业致力研究的课题之一，从某种程度上看，也是制约薄板结构焊接技术水平进一步提升的难题。在掌握薄板结构焊接变形原因和类型的基础上，焊接人员应借助先进的软件对焊接变形进行预测，并对焊接工艺、焊缝矫正方法等进行科学控制，以提高薄板结构的焊接质量。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕