浅谈焊接变形的影响因素及控制措施

张明霞

摘 要：由于焊接连接具有其他连接方法无法具备的结构特点，并且操作实施灵活，经济效益好，因此焊接连接的工艺技术方法得到人们的高度重视，焊接连接已成为现代金属连接技术领域中发展迅猛的一种金属加工工艺技术。但是焊接连接的工艺技术特点，又使得焊接结构容易发生变形问题。在焊接结构中，这是一种不可避免的缺陷。

关键词：焊接变形；影响因素；控制措施

1 前言

随着社会现代化进程的加快，城市化建设水平的不断提高，在焊接结构施工中，焊接变形作为施工结构质量的控制和管理问题，是结构工程领域常见的技术性难题，往往会因为其质量和操作手段不专业等原因，引起结构质量水平低下，严重影响了工程结构建设，是一件值得引起重视和解决的问题，因此，加大对焊接结构施工工艺的优化和监理，提升构件质量，对于我国建筑构件的良性发展起着关键作用，同时，高质量的焊接技术工程是保证结构建筑品质的关键，对创造人们现代安全便捷的生活建筑环境具有重要意义。

2 焊接变形的影响因素

2.1 材料因素的影响

料的热物理性能和力学性能参数都会影响到材料的焊接变形。其中热物理性能的影响主要是热传导系数对材料焊接变形的影响，通常热传导系数越小，材料温度变化越大，焊接变形现象就越明显。相对于热物理性能，力学性能对材料焊接变形的影响就比较复杂，其中热膨胀系数的影响是最大的。当材料的热膨胀系数增加时，焊接变形的程度也就增大。此外，力学性能中的屈服极限和弹性模量的变化也会在一定程度上影响材料的焊接变形。材料的弹性模量和焊接变形成反比例关系，也就是说随着弹性模量的增加，焊接变形反而会降低。

2.2 结构因素的影响

焊接结构的设计对焊接变形的影响最关键，也是最复杂的因素。其总体原则是随拘束度的增加，焊接残余应力增加，而焊接变形则相应减少。结构在焊接变形过程中，工件本身的拘束度是不断变化着的，因此自身为变拘束结构，同时还受到外加拘束的影响。一般情况下复杂结构自身的拘束作用在焊接过程中占据主导地位，而结构本身在焊接过程中的拘束度变化情况随结构复杂程度的增加而增加，在设计焊接结构时，常需要采用筋板或加强板来提高结构的稳定性和刚性，这样做不但增加了装配和焊接工作量，而且在某些区域，如筋板、加強板等，拘束度发生较大的变化，给焊接变形分析与控制带来了一定的难度。因此，在结构设计时针对结构板的厚度及筋板或加强筋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。

2.3 工艺因素的影响

焊接工艺对焊接变形的影响方面很多，例如焊接方法、焊接输入电流电压量、构件的定位或固定方法、焊接顺序、焊接胎架及夹具的应用等。在各种工艺因素中，焊接顺序对焊接变形的影响较为显著，一般情况下，改变焊接顺序可以改变残余应力的分布及应力状态，减少焊接变形。多层焊以及焊接工艺参数也对焊接变形有十分重要的影响。焊接工作者在长期研究中，总结出一些经验，利用特殊的工艺规范和措施，达到减少焊接残余应力和变形，改善残余应力分布状态的目的。

3 焊接变形的控制

3.1 设计措施

（1）合理地选择焊接的尺寸和形式。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，在保证结构的承载能力的条件下，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）尽可能减少不必要的焊缝。在设计焊接结构时，合理地选择筋板的形状，适当地安排筋板的位置，力求焊缝数量少，避免不必要的焊缝，从而减小焊接变形。

3.2 工艺措施

（1）焊前预防措施。焊前预防主要包括预防变形、预拉伸法和刚性固定组装法。预变性法或称反变形法是根据预测的焊接变形大小和方向，在待焊工件装配时造成与焊接残余变形大小相当、方向相反的预变形量（反变形量），焊后焊接残余变形抵消了预变形量，使构件恢复到设计要求的几何形状和尺寸。

预拉伸法多用于薄板平面构件，焊接时在薄板有预张力或有预先热膨胀量的情况下进行的。焊后，去除预拉伸或加热，薄板恢复初始状态，可有效地降低焊接残余应力，控制焊接变形。预热的作用在于减小温度梯度，不同的预热温度在降低残余应力的作用方面有一定的差别，预热温度在300 ℃～400 ℃时，在钢中残余应力水平降低了30 %～50 %，当预热温度为200 ℃时，残余应力水平降低了10 %～20 %。刚性固定组装法是采用夹具或刚性胎具将被焊构件尽可能地固定，可有效地控制待焊构件的角变形与弯曲变形等。

（2）焊接过程控制措施。焊接过程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接规范参数，选择合理的焊接顺序以及采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施。选择线能量较低的焊接方法以及合理地控制焊接规范参数可以有效地防止焊接变形。采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施可以降低残余应力和减小焊接变形。采用随焊两侧加热，横向应变、纵向应变和最大剪切应变的分布更加均匀，变化更加平缓，起到减小焊接残余应力和变形的作用。随焊碾压法由于设备复杂、使用不便等原因，在生产应用中受到一定的限制，但该方法在提高焊接变形等方面具有理想的效果。随焊激冷法能够显著地降低残余应力和减少焊接变形。

（3）焊后矫正措施。当构件焊接后，只能通过矫正措施来减小或消除已发生的残余变形。焊后矫正措施主要分为加热矫正法和机械矫正法。加热矫正法又分为整体加热和局部加热。整体热矫正是指将整体构件加热至锻造温度以上再进行矫正的方法，可用以消除较大的形状偏差。但是焊后整体加热容易引起冶金方面的副作用，限制了该方法的进一步推广及应用。

局部热矫正多采用火焰对焊接构件局部加热，在高温处，材料的热膨胀受到构件本身刚性制约，产生局部压缩塑性变形，冷却后收缩，抵消了焊后部位的伸长变形，达到矫正目的，火焰加热法采用一般的气焊焊炬，不需要专门的设备，方法简便灵活，因此在生产上广为应用。此外，还有利用机械力或冲击能等进行焊接变形矫正，包括静力加压矫直法、焊缝滚压法、锤击法等。

4 结束语

只要在实际焊接生产中充分掌握了焊接变形的规律和预防焊接变形的措施，就能够最大限度地减少焊接变形，从而降低矫正焊接变形的工时，提高整体焊接生产的工作效率。因此，加强对建筑构件工艺中焊接技术和结构质量的优化是一项重要环节，在对焊接技术施工机械和施工技术方案的检验和审查以及施工过程中，就焊接环节的质量监理，以便及早发现问题，“防患于未然”。