如何预防碳素钢板焊接时产生焊接残余变形问题探究

吴隆兴

摘要：通过分析变形的基本知识，找出焊接变形产生的原因，提出控制焊接残余变形的措施，以供参考。

关键词：碳素钢板；焊接；碳素残余变形

1变形的基本知识

1.1变形

物体在外力或高温度等因素的作用下，其内部原子的相对位置发生改变，其宏观表现为形状和尺寸的变化，这种变化称为物体的变形。

1.1.1弹性变形与塑性变形

当外力或其它因素去除后变形也随消失，物体可恢复原状，这样的变形称为弹性变形；当外力或其它因素去除变形仍然存在，物体不能恢复原状的这种变形称为塑性变形。

1.1.2自由变形

非自由变形物体的变形不受外界任何阻碍自由的进行，这种变形称为自由变形。

1.1.3焊接变形由焊接而引起焊件的尺寸改变称为焊接变形

其中，焊接过程的变形称为焊接瞬时变形：焊后残存于焊件中的变形称为焊接残余变形。

2焊接变形的产生原因

由于焊接热过程的复杂性，影响焊接变形的因素很多，如焊件受热不均匀、焊缝金属的收缩、金属组织的变化及焊件刚性的影响等，其中最根本的原因是焊件受热不均匀。

2.1均匀加热时引起变形的原因

当温度比较高，达到或超过材料屈服点温度时，则杆件的压缩变形量增大，产生塑性变形、弹性变形两部分组成。当温度恢复到原始温度时弹性变形恢复塑性变形部分不能回复。

2.2不均匀加热时引起的变形

碳钢长板条中心加热引起的变形，在其中沿长度方向上用电阻丝进行加热，则在板条宽度方向上出现中间高，两侧低的不均匀温度场，而沿板条长度方向和厚度方向的温度分布可视为均匀。

2.3焊接变形的产生

前面长板条中心加热引起的应力与变形，这种情况沿板条宽度方向温度分布不均匀，但沿板条长度方向和厚度方向温度分布都为时均匀。然而，焊接过程的加热是移动的热源，不时沿板条长度方向同时加热的，而且热量在焊件内的传播速度低于焊接速度，因此，沿板条长度方向上的各个截面的温度都是不同的。另外，焊接过程的温度变化范围比较大，焊接处的最高温度可达到材料的沸点，而离开焊接处的温度又急剧下降直至室温。由于金属在高温下的性能随温度而变化，如低碳钢焊接区的温度超过600℃时，此时材料丧失弹性，处于全塑形狀态。

3焊接残余变形对焊接结构的影响因素

焊接残余变形在焊接结构中的分布是很复杂的。按变形对整个焊接结构的影响程度可将焊接变形分为局部变形和整体变形；按照变形的外观形态来分，可将焊接变形分为五种基本变形形式：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。这些基本变形形式的不同组合，形成了实际生产中焊件的变形。最基本的是收缩变形，收缩变形再加上不同的影响因素，就构成了其它四种基本变形形式。焊接结构的变形对焊接结构生产有极大的影响。首先是零件或部件的焊接残余变形，给装配带来困难，进而影响后续焊接的质量；其次过大的残余变形还要进行矫正，增加结构的制造成本；另外，焊接变形也降低焊接接头的性能和承载能力。

4控制焊接残余变形的措施

4.1控制焊接变形的措施

从焊接结构的设计开始，就应考虑控制变形可能采取的措施。进入生产阶段，可采用焊接预防变形的措施，以及在焊接过程中的工艺措施。

4.1.1设计措施

（1）选择合理的焊缝形状和尺寸在保证结构有足够承载能力的前提下，应采用尽量小的焊缝尺寸。

（2）减少焊缝的数量只要允许，多采用型材、冲压件；就可以减少焊缝数量。

（3）合理安排焊缝位置，梁、柱等焊接构件、常因焊缝偏心配置而产生弯曲变形。

4.1.2工艺措施

（1）留余量法。此法即是在下料时，将零件的长度或宽度尺寸比设计尺寸适当加大，以补偿焊件的收缩。留余量法主要是用于防止焊件的收缩变形。

（2）反变形法。此法就是根据焊件的变形规律，焊前预先将焊件向着与焊接变形的相反方向进行人为的变形（反变形量与焊接变形量相等），使之达到抵消焊接变形的目的。此法很有效，但必须准确地估计焊后可能产生的变形方向和大小。

（3）刚性固定法。采用适当的办法来增加焊件的刚度或拘束度，可以达到减小其变形的目的，这就是刚性固定法。

（4）选择合理的装配焊接顺序：在无法使用胎夹具情况下施焊，一般都须选择合理的装配和焊接的顺序，使焊接变形减至最小。装配焊接顺序应按以下原则进行。

4.2矫正焊接残余变形的方法

在焊接结构生产中，首先应采取各种措施来防止和控制焊接变形。但是焊接变形是难以避免的，因为影响残余变形的因素太多，生产中无法面面俱到。当焊接结构中的残余变形超出技术要求的变形范围时，就必须对焊件的变形进行矫正。常用的矫正焊接变形的方法有以下几种。

4.2.1手工矫正法

手工矫正法就是利用手锤、大锤等工具锤击焊件的变形处。主要用于一些小型简单焊件的弯曲变形和薄板的波浪变形。

4.2.2机械矫正法

机械矫正法就是利用机器或工具来矫正焊接变形。具体地说，就是用千斤顶、拉紧器、压力机等将焊件顶直或压平。机械矫正法一般适用于塑性比较好的材料及形状简单的焊件。

4.2.3火焰加热矫正法

火焰加热矫正就是利用火焰对焊件进行局部加热，使焊件产生新的变形去抵消焊接变形。在生产中应用广泛，主要用于矫正弯曲变形、角变形、波浪变形等，也可用于矫正扭曲变形。endprint