淺談焊接變形控制影響

張記鵬

摘要：由于焊接加熱，融合線以外的母材產(chǎn)生膨脹，接著冷卻，熔池金屬和熔合線附近母材產(chǎn)生收縮，因加熱、冷卻這種熱變化在局部范圍急速地進行，膨脹和收縮變形均受到拘束而產(chǎn)生塑性變形。這樣，在焊接完成并冷卻至常溫后該塑性變形殘留下來。針對鋼結(jié)構(gòu)工程焊接技術的重點和難點，根據(jù)多年的工程實踐經(jīng)驗，本文主要闡述實用焊接變形的影響因素及控制措施和方法。

關鍵詞：焊接變形;影響因素;控制措施

前 ?言

鋼材的焊接通常采用熔化焊方法，是在接頭處局部加熱，使被焊接材料與添加的焊接材料熔化成液體金屬，形成熔池，隨后冷卻凝固成固態(tài)金屬，使原來分開的鋼材連接成整體。 在焊接過程中由于急劇的非平衡加熱及冷卻，結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生不可忽視的焊接殘余變形。焊接殘余變形是影響結(jié)構(gòu)設計完整性、制造工藝合理性和結(jié)構(gòu)使用可靠性的關鍵因素。

一、焊接變形的影響因素

焊接變形可以分為在焊接熱過程中發(fā)生的瞬態(tài)熱變形和在室溫條件下的殘余變形。影響焊接變形的因素很多，但歸納起來主要有材料、結(jié)構(gòu)和工藝3個方面。

1.材料因素的影響

材料對于焊接變形的影響不僅和焊接材料有關，而且和母材也有關系，材料的熱物理性能參數(shù)和力學性能參數(shù)都對焊接變形的產(chǎn)生過程有重要的影響。其中熱物理性能參數(shù)的影響主要體現(xiàn)在熱傳導系數(shù)上，一般熱傳導系數(shù)越小，溫度梯度越大，焊接變形越顯著。力學性能對焊接變形的影響比較復雜，熱膨脹系數(shù)的影響最為明顯，隨著熱膨脹系數(shù)的增加焊接變形相應增加。同時材料在高溫區(qū)的屈服極限和彈性模量及其隨溫度的變化率也起著十分重要的作用，一般情況下，隨著彈性模量的增大，焊接變形隨之減少而較高的屈服極限會引起較高的殘余應力，焊接結(jié)構(gòu)存儲的變形能量也會因此而增大，從而可能促使脆性斷裂，此外，由于塑性應變較小且塑性區(qū)范圍不大，因而焊接變形得以減少。

2.結(jié)構(gòu)因素的影響

焊接結(jié)構(gòu)的設計對焊接變形的影響最關鍵，也是最復雜的因素。其總體原則是隨拘束度的增加，焊接殘余應力增加，而焊接變形則相應減少。結(jié)構(gòu)在焊接變形過程中，工件本身的拘束度是不斷變化著的，因此自身為變拘束結(jié)構(gòu)，同時還受到外加拘束的影響。一般情況下復雜結(jié)構(gòu)自身的拘束作用在焊接過程中占據(jù)主導地位，而結(jié)構(gòu)本身在焊接過程中的拘束度變化情況隨結(jié)構(gòu)復雜程度的增加而增加，在設計焊接結(jié)構(gòu)時，常需要采用筋板或加強板來提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛性，這樣做不但增加了裝配和焊接工作量，而且在某些區(qū)域，如筋板、加強板等，拘束度發(fā)生較大的變化，給焊接變形分析與控制帶來了一定的難度。因此，在結(jié)構(gòu)設計時針對結(jié)構(gòu)板的厚度及筋板或加強筋的位置數(shù)量等進行優(yōu)化，對減小焊接變形有著十分重要的作用。

3.工藝因素的影響

焊接工藝對焊接變形的影響方面很多，例如焊接方法、焊接輸入電流電壓量、構(gòu)件的定位或固定方法、焊接順序、焊接胎架及夾具的應用等。在各種工藝因素中，焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊戄^為顯著，一般情況下，改變焊接順序可以改變殘余應力的分布及應力狀態(tài)，減少焊接變形。多層焊以及焊接工藝參數(shù)也對焊接變形有十分重要的影響。焊接工作者在長期研究中，總結(jié)出一些經(jīng)驗，利用特殊的工藝規(guī)范和措施，達到減少焊接殘余應力和變形，改善殘余應力分布狀態(tài)的目的。

二、焊接變形的控制

1.設計措施

1.1合理地選擇焊接的尺寸和形式。焊接尺寸直接關系到焊接工作量和焊接變形的大小。焊縫尺寸大，不但焊接量大，而且焊接變形也大，因此，在保證結(jié)構(gòu)的承載能力的條件下，設計時應盡量采用較小的焊縫尺寸。對于受力較大的丁字接頭和十字接頭，在保證相同的強度條件下，采用開坡口的焊縫可以比一般角焊縫減少焊縫金屬，對減小變形有利。

1.2盡可能減少不必要的焊縫。在設計焊接結(jié)構(gòu)時，合理地選擇筋板的形狀，適當?shù)匕才沤畎宓奈恢?，力求焊縫數(shù)量少，避免不必要的焊縫，從而減小焊接變形。

1.3合理地安排焊縫位置。在設計焊接結(jié)構(gòu)時，安排焊縫盡可能對稱于截面中性軸，或者使焊縫接近中性軸，這對于減少梁、柱等類型結(jié)構(gòu)的撓曲變形有良好的效果。

2.工藝措施

工藝措施是指在焊接構(gòu)件生產(chǎn)制造過程中所采用的一系列措施，將其分為焊前預防措施、焊接過程中的控制措施和焊后矯正措施。

2.1焊前預防措施。焊前預防主要包括預防變形、預拉伸法和剛性固定組裝法。預變性法或稱反變形法是根據(jù)預測的焊接變形大小和方向，在待焊工件裝配時造成與焊接殘余變形大小相當、方向相反的預變形量（反變形量），焊后焊接殘余變形抵消了預變形量，使構(gòu)件恢復到設計要求的幾何形狀和尺寸。

預拉伸法多用于薄板平面構(gòu)件，焊接時在薄板有預張力或有預先熱膨脹量的情況下進行的。焊后，去除預拉伸或加熱，薄板恢復初始狀態(tài)，可有效地降低焊接殘余應力，控制焊接變形。預熱的作用在于減小溫度梯度，不同的預熱溫度在降低殘余應力的作用方面有一定的差別，預熱溫度在300 ℃～400 ℃時，在鋼中殘余應力水平降低了30 %～50 %，當預熱溫度為200 ℃時，殘余應力水平降低了10 %～20 %。剛性固定組裝法是采用夾具或剛性胎具將被焊構(gòu)件盡可能地固定，可有效地控制待焊構(gòu)件的角變形與彎曲變形等。

2.2焊接過程控制措施。焊接過程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接規(guī)范參數(shù)，選擇合理的焊接順序以及采用隨焊兩側(cè)加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施。選擇線能量較低的焊接方法以及合理地控制焊接規(guī)范參數(shù)可以有效地防止焊接變形。采用隨焊兩側(cè)加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施可以降低殘余應力和減小焊接變形。采用隨焊兩側(cè)加熱，橫向應變、縱向應變和最大剪切應變的分布更加均勻，變化更加平緩，起到減小焊接殘余應力和變形的作用。隨焊碾壓法由于設備復雜、使用不便等原因，在生產(chǎn)應用中受到一定的限制，但該方法在提高焊接變形等方面具有理想的效果。隨焊激冷法能夠顯著地降低殘余應力和減少焊接變形。

焊接順序?qū)附託堄鄳妥冃蔚漠a(chǎn)生影響較大，在采用不同的焊接順序時，可以改變殘余應力的分布規(guī)律，但對殘余應力整體幅值的降低作用不大，同時該方法對于控制焊接變形有較大的作用，尤其在多道焊中，作用更加明顯。

2.3焊后矯正措施。當構(gòu)件焊接后，只能通過矯正措施來減小或消除已發(fā)生的殘余變形。焊后矯正措施主要分為加熱矯正法和機械矯正法。加熱矯正法又分為整體加熱和局部加熱。整體熱矯正是指將整體構(gòu)件加熱至鍛造溫度以上再進行矯正的方法，可用以消除較大的形狀偏差。但是焊后整體加熱容易引起冶金方面的副作用，限制了該方法的進一步推廣及應用。

局部熱矯正多采用火焰對焊接構(gòu)件局部加熱，在高溫處，材料的熱膨脹受到構(gòu)件本身剛性制約，產(chǎn)生局部壓縮塑性變形，冷卻后收縮，抵消了焊后部位的伸長變形，達到矯正目的，火焰加熱法采用一般的氣焊焊炬，不需要專門的設備，方法簡便靈活，因此在生產(chǎn)上廣為應用。此外，還有利用機械力或沖擊能等進行焊接變形矯正，包括靜力加壓矯直法、焊縫滾壓法、錘擊法等。

三、結(jié)束語

綜合分析上述焊接變形的影響因素與減小焊接變形的措施，基本了解焊接變形的原因及變形的種類，針對焊接變形的原因和控制措施從焊接工藝等方面進行改進，有效防止減少焊接變形所帶來的危害。