焊接變形的控制措施研究

姚繼光

（鎮(zhèn)江中船日立造船機械有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212011）

0 引言

焊接作為一種非常重要的加工工藝，在制造工業(yè)中占據(jù)著重要地位，廣泛地應(yīng)用于機械制造、石油化工、原子能等領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展、焊接技術(shù)不斷進步，正確地使用焊接方法，合理地安排焊接工藝，有效地控制焊接變形，降低制造成本，提高經(jīng)濟益，顯得尤其重要。

焊接變形是直接影響焊接結(jié)構(gòu)性能、安全可靠性和制造工藝的重要因素。它會導(dǎo)致在焊接接頭中產(chǎn)生冷、熱裂紋等缺陷，在一定條件下還會對結(jié)構(gòu)的斷裂特性、疲勞強度和形狀精度等有不利的影響。在構(gòu)件制造過程中，焊接變形往往會引起正常工藝流程的中斷。因此，掌握焊接變形的規(guī)律，了解其作用與影響，采取措施控制和消除焊接變形，具有重要意義。

1 焊接變形的影響因素

焊接變形是由多種因素交互作用而導(dǎo)致的，焊接時的局部不均勻熱輸入是產(chǎn)生焊接變形的決定因素。焊接變形一般分為2種，一種是焊接加熱過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)熱變形，另一種是正常溫度（即室溫）下的殘余變形。其因素可以綜合歸納為：

1.1 材料因素

材料的熱物理性能和力學(xué)性能參數(shù)都會影響到材料的焊接變形。其中熱物理性能的影響主要是熱傳導(dǎo)系數(shù)對材料焊接變形的影響，通常熱傳導(dǎo)系數(shù)越小，材料溫度變化越大，焊接變形現(xiàn)象就越明顯。相對于熱物理性能，力學(xué)性能對材料焊接變形的影響就比較復(fù)雜，其中熱膨脹系數(shù)的影響是最大的。當(dāng)材料的熱膨脹系數(shù)增加時，焊接變形的程度也就增大。此外，力學(xué)性能中的屈服極限和彈性模量的變化也會在一定程度上影響材料的焊接變形。材料的彈性模量和焊接變形成反比例關(guān)系，也就是說隨著彈性模量的增加，焊接變形反而會降低。屈服極限的增加會導(dǎo)致焊接變形過程產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，再加上平均應(yīng)力比較高，就會導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)材料對于變形的存儲能力增加，從而促使脆性斷裂事件的發(fā)生。塑性應(yīng)變和塑性區(qū)域減小，焊接變形也隨之減小。

1.2 結(jié)構(gòu)因素

在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段就需要將焊接變形考慮在內(nèi)。結(jié)構(gòu)是影響焊接變形的最為復(fù)雜的因素，我們通常看到的結(jié)構(gòu)中采用了加強板、加強筋等就是對焊接結(jié)構(gòu)的一種保護措施。一般來說，隨著結(jié)構(gòu)約束度的增加，焊接過程的殘余應(yīng)力會相應(yīng)增加，從而使得材料的焊接變形降低。不過在焊接過程中，由于結(jié)構(gòu)自身因素導(dǎo)致約束的可變性，再加上受到外界的約束作用，就使得結(jié)構(gòu)約束變化比較復(fù)雜。在設(shè)計階段通常為了保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，會采用加強筋或者加強板等設(shè)計方法。加強筋和加強板的設(shè)計，給控制汽車結(jié)構(gòu)的焊接變形帶來了困難。所以在加強板等的設(shè)計方面，要加強尺寸和數(shù)量的控制，這在一定程度上可有效減小焊接變形。

1.3 工藝因素

焊接采用的方法、焊接順序、焊接時的定位以及熱輸入量等對焊接變形的影響，被稱為焊接工藝對焊接變形的影響。焊接工藝對焊接變形的影響是最多的，在所有工藝因素中，焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊懽畲?。不同的焊接順序?qū)附咏Y(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)有很大影響，進而影響焊接變形狀態(tài)。焊接工藝參數(shù)很多，這些參數(shù)對焊接變形的影響一直是焊接研究的重點，利用有效的焊接工藝可改善殘余應(yīng)力和減小焊接變形。

2 焊接變形的控制措施

由上文可知，影響焊接變形的因素主要有材料、結(jié)構(gòu)和工藝，那么對于焊接變形的控制措施就從這3個方面著手。在選擇焊接材料時通常選擇熱導(dǎo)系數(shù)比較大的焊接材料，焊接材料導(dǎo)熱能力越好，越有利于降低焊接變形。此外，還要求材料的熱膨脹系數(shù)較小、彈性模量較小等。但是材料的性能有一定范圍的固定性，所以各個性能之間的權(quán)衡就很困難，一般來說通過焊接材料的選擇來控制焊接變形比較困難。通常對于焊接變形的控制，是基于某一種材料選擇某種容易實現(xiàn)的方式來降低焊接變形。如果是焊接材料已經(jīng)選定，那么就從焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計和焊接工藝的選擇2個方面來控制焊接變形。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計措施

（1）焊縫設(shè)計。焊縫設(shè)計主要是指對焊縫尺寸和形式進行設(shè)計，焊縫尺寸、焊接質(zhì)量與焊接變形關(guān)系密切。焊縫越大，焊接變形越大。所以在設(shè)計焊縫尺寸時，應(yīng)該盡可能在滿足承載要求的情況下，越小越好。在焊縫形式的選擇上要充分考慮承載能力要求，選擇滿足要求的并且可以實現(xiàn)焊縫尺寸減小的焊縫形式。（2）焊縫數(shù)量。焊縫數(shù)量對焊接變形的影響顯而易見，焊縫越少對焊接變形越有利，這就要求設(shè)計時盡可能在滿足要求的條件下，優(yōu)化焊縫數(shù)量，避免不必要的焊縫，從而控制焊接變形。（3）焊縫位置。焊縫位置設(shè)計得合理，可有效減少梁和柱等結(jié)構(gòu)的變形，設(shè)計時應(yīng)盡量將焊縫布置在中性軸附近。

2.2 工藝措施

下面從焊接前、焊接過程和焊接后3方面來闡述控制焊接變形的工藝措施：（1）焊接前措施。焊接前的措施有3種：1）預(yù)變形。這種方法就是在焊接前預(yù)測焊接變形的狀態(tài)，根據(jù)預(yù)測的焊接變形方向和形變大小，在待焊接產(chǎn)品裝配時做一個與預(yù)測焊接變形相配合的形狀，大小相同，方向相反。這樣焊接后的變形剛好抵消了這個預(yù)留的變形，從而滿足設(shè)計要求。2）預(yù)拉伸。該方法通常用在平面結(jié)構(gòu)上，在焊接前使薄板存在一定的張力或者熱膨脹，焊接后去除外力恢復(fù)初始狀態(tài)，從而有效降低焊接變形，保障焊接質(zhì)量。3）剛性固定組裝。該方法同樣是借助外力，通過夾具將待焊件盡可能實現(xiàn)剛性固定，從而有效地控制角變形和彎曲變形。（2）焊接過程措施?？刂坪附訁?shù)、有效選擇焊接順序、加熱、碾壓、激冷等方法可實現(xiàn)對焊接變形的控制。比如，鋁合金焊接時在焊槍兩側(cè)對母體金屬加熱，能夠使電弧金屬變形減小，降低焊縫區(qū)域的剪切應(yīng)變，從而實現(xiàn)對焊接變形的控制。激冷方法也是控制焊接變形非常有效的工藝方法，隨焊激冷能夠顯著降低焊接殘余應(yīng)力，減小焊接變形。在焊接時，尤其是在多道焊接過程中，焊接順序的選擇對殘余應(yīng)力和焊接變形的影響較大，采用不同的焊接順序，可以改變殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。（3）焊接后措施。焊接后即焊接已經(jīng)結(jié)束，焊接變形已經(jīng)形成，這時主要通過加熱和機械這2種矯正方法來降低焊接變形對焊接質(zhì)量的影響。加熱矯正是通過對構(gòu)件整體或者局部進行加熱來矯正焊接變形。整體加熱通常是將工件一直加熱到鍛造溫度以上，然后再矯正。相比整體加熱，局部加熱在效果、成本以及使用范圍上都有很多優(yōu)勢，局部加熱通過火焰對焊接構(gòu)件進行加熱，由于材料熱膨脹和自身剛性的相互作用而產(chǎn)生塑性變形，冷卻后又收縮，抵消焊接時的變形，達到矯正目的。機械方法對焊接變形的矯正主要是通過靜力加壓、對焊縫滾壓和錘擊、電磁脈沖等方法，就是在焊接件上施加機械壓力，使得構(gòu)件產(chǎn)生與焊接變形的反力，從而實現(xiàn)矯正。強點脈沖矯正是利用高壓電容產(chǎn)生的強脈沖磁場，通過磁場沖擊力在焊接件相反方向的作用來抵消殘余變形，實現(xiàn)焊接變形矯正。但該方法使用起來有很大局限，只適用于導(dǎo)電系數(shù)較高的材料。

3 結(jié)語

通過對焊接變形因素和控制措施進行分析，我們可以找到多種實現(xiàn)焊接變形控制的方法。但是我們也很容易發(fā)現(xiàn)，每種控制措施都有一定的局限性。那么在生產(chǎn)中就要求根據(jù)自身的需求和條件選擇相應(yīng)的方法，來實現(xiàn)對焊接變形的控制。在控制措施中，相對成熟和廣泛使用的方法是焊接前和焊接過程焊接變形的控制，而焊接后的控制矯正方法還不夠成熟和理想。對于焊接過程復(fù)雜的焊接工藝來說，分為焊接前、中、后3個階段是遠遠不夠的，因此尋找一種有效的控制方法成為日后焊接工藝的一個重要研究方向。

［1］董俊慧，霍立興，張玉鳳.環(huán)焊縫管道焊接應(yīng)力應(yīng)變?nèi)S有限元分析.機械工程學(xué)報，2001，37（12）

［2］崔曉芳.箱型結(jié)構(gòu)焊接變形預(yù)測、控制及應(yīng)用.大連交通大學(xué)，2005

［3］董濤，李興春.焊接變形的控制方法.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2007（2）

［4］汪建華，陸?zhàn)?，村川英?局部焊后熱處理加熱寬度的直接評定方法.焊接學(xué)報，2000（2）