焊接變形問題及控制方法

劉皓 李玉楊 范喜祥

摘要：焊接時由于結(jié)構(gòu)短時間受到加熱、冷卻和殘余應(yīng)力等因素的影響，無法避免的出現(xiàn)焊接殘余變形，焊接變形對結(jié)構(gòu)完整程度、工業(yè)合理性以及使用安全性產(chǎn)生重要影響。為此，本文對焊接變形的原因及影響因素進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的控制方法。

關(guān)鍵詞：焊接;變形;控制方法

焊接是對結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行加熱的一種工藝方法，在焊接過程中以及焊接結(jié)束后，由于多種因素的影響，常出現(xiàn)焊接應(yīng)力、變形問題。焊接應(yīng)力和焊接變形會對焊接結(jié)構(gòu)性能造成一定程度影響，例如強度、精度、穩(wěn)定性以及抗腐蝕性等[1]。同時，嚴(yán)重的焊接變形問題還會提高工藝制造難度，延長生產(chǎn)周期，增加成本消耗，造成資源浪費?；诖?，本文就焊接變形問題及控制方法進(jìn)行綜述。

1.焊接變形原因及分類

焊接過程中，結(jié)構(gòu)所受到的不均勻熱量是導(dǎo)致焊接變形的主要原因。除此之外，包括材料類型的不同、制造工藝、結(jié)構(gòu)自身狀況等因素對熱源附近金屬運動產(chǎn)生影響，最終造成焊接變形問題。焊接變形按照形態(tài)的不同可分為多類，常見的包括角變形、彎曲變形、錯邊變形以及波浪變形等。

2.焊接變形的影響因素

2.1材料因素

材料對焊接變形的影響較大，并且和母材密切相關(guān)，尤其是材料熱物理性能及力學(xué)參數(shù)均對焊接變形產(chǎn)生直接影響[2]。熱物理參數(shù)性能常表現(xiàn)在熱傳導(dǎo)系數(shù)方面，通常情況下熱傳導(dǎo)系數(shù)下降，溫度梯度上升，越容易引起焊接變形。而力學(xué)性能參數(shù)在多個方面影響著焊接變形，其中熱膨脹系數(shù)影響較為顯著，熱膨脹系數(shù)和焊接變形幾率成正比。同時，材料在高溫區(qū)的屈服極限、彈性模量和跟隨溫度變化率與焊接變形具有密切聯(lián)系。通常彈性模量升高，其焊接變形也越少。但是屈服極限上升時，會導(dǎo)致殘余應(yīng)力增多，同時引起焊接結(jié)構(gòu)中的變形能量增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)脆性上升，從而發(fā)生斷裂。除此之外，因為塑性變形相對不多，塑性區(qū)域范圍相對較小，所以焊接變形隨之減少。

2.2結(jié)構(gòu)因素

焊接變形中焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計是最為關(guān)鍵的影響因素，對焊接變形影響較為復(fù)雜。從整體來看，當(dāng)拘束度升高時，焊接殘余變應(yīng)力隨之上升，對應(yīng)減少了焊接變形的出現(xiàn)。焊接過程中，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形時，工件拘束度呈持續(xù)變化趨勢，自身轉(zhuǎn)變?yōu)榫惺鵂顟B(tài)，并受到外部拘束干擾。通常來說，復(fù)雜結(jié)構(gòu)在焊接過程中自身拘束作用發(fā)揮了關(guān)鍵作用。同時隨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加，結(jié)構(gòu)自身在焊接時的拘束度隨之上升。焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，為了確保結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性，通常要使用加強板或者筋板。但這樣一方面會大量增加焊接工作和裝配內(nèi)容，同時在加強板和筋板的部分位置，一旦拘束度出現(xiàn)改變，也會使控制焊接變形更為困難。因此，在設(shè)計結(jié)構(gòu)時，需要深入優(yōu)化結(jié)構(gòu)板厚度，控制加強筋和筋板數(shù)量，合理合計加強筋、筋板位置，有利于降低焊接變形幾率。

2.3工藝因素

焊接工藝從多方面影響著焊接變形，常見的包括焊接方法、構(gòu)件定位、夾具使用、胎架焊接以及焊接順序等[3]。在工藝方面的各種影響因素中，焊接變形受到焊接順序的影響較為顯著，通過對焊接順序進(jìn)行適當(dāng)改變，能夠促使殘余應(yīng)力位置發(fā)生變化，同時改變殘余應(yīng)力狀態(tài)，繼而有利于降低焊接變形風(fēng)險。除此之外，焊接變形也受到多層焊接和焊接工藝參數(shù)等因素的影響。

3.焊接變形的控制方法

3.1設(shè)計方面

3.1.1合理選擇焊縫大小及形狀

對于板厚較大的對接接頭，以往較多使用V形坡口，目前可使用X形坡口進(jìn)行替代。因為在板達(dá)到一定厚度后，在熔敷金屬量方面，X形坡口對比V形坡口可少接近一半。若對接接頭板厚更大時，可直接采用U形或者雙U形坡口，甚至也可進(jìn)行窄間隙神坡口焊縫，有利于避免焊接變形出現(xiàn)。當(dāng)結(jié)構(gòu)承載能力得到足夠的保證下，應(yīng)盡可能的減小焊縫大小。對于T形焊接接頭，當(dāng)不需要計算強度時，可在保證工藝合理的前提下，最大限度縮小焊縫焊腳大小。與此同時，在選擇最小的焊腳后，采取斷續(xù)焊縫相較于連續(xù)，可更好的避焊接變形。十字接頭或者T型接頭通常所受的力更大，在確保同等的強度基礎(chǔ)上，開坡口角焊縫相較于常規(guī)角焊縫，能夠最大限度減少金屬焊縫，防止發(fā)生焊接變形。對于通過計算得到的T形接頭角焊縫，可盡量選擇連續(xù)焊縫，避免選擇和連續(xù)焊縫強度相同的斷續(xù)焊縫。同時應(yīng)盡量選擇雙面連續(xù)焊縫，避免選擇強度相同的單面連續(xù)焊縫，這樣做有利于縮小焊縫焊腳大小。

3.1.2盡量減少焊縫數(shù)量

在焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，應(yīng)最大限度減少焊縫數(shù)量，減少多余的焊縫。同時可以盡可能多的使用型鋼、沖壓件來代替焊接件。比如對于筋板結(jié)構(gòu)，可以使用壓型結(jié)構(gòu)進(jìn)行代替，可有效的避免薄板變形。若結(jié)構(gòu)件本身要求較低，也可根據(jù)情況增加一定平板厚度，可減少對筋板的使用量，繼而降低焊接變形矯正量。

3.1.3使用合適的結(jié)構(gòu)形式，科學(xué)分布焊縫位置

在焊接的過程中，使焊縫盡量和橫截面中心軸線相對稱，亦或者使焊縫盡量接近中心軸線，能夠最大限度避免結(jié)構(gòu)彎曲變形。這是因為當(dāng)焊縫主要分布在中心軸線一邊時，易導(dǎo)致較大的變形彎曲，因此盡可能的采取對稱狀態(tài)[4]。在焊縫收縮過程中，縱向相較于橫向明顯更小，所以對于焊縫位置的選擇，盡量使其分布在平行于對焊縫變形要求不高的方向。采取分部件焊接方法，將結(jié)構(gòu)分部件焊接可行性作為設(shè)計的重點考慮方向，同時要保證部件總裝時焊接工作量增加，避免總裝出現(xiàn)焊接變形。

3.2工藝方面

3.2.1采取合適的焊接方法

在選擇焊接方法時，盡量采取高能量密度方法，常見的包括二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、手工點弧焊以及等離子弧焊等，此類方法適用于薄板焊接，可極大程度避免焊接變形。雖然通過降低焊接線能量可減少一定的焊接變形，但在工作實踐中，考慮到生產(chǎn)速度等因素后，不能過多降低焊接線能量。若焊接構(gòu)件呈不對稱狀態(tài)，在焊接時選擇不同的焊接參數(shù)，繼而減少彎曲變形量。

3.2.2采取科學(xué)的焊接裝配順序

裝配構(gòu)建時，側(cè)面中心位置持續(xù)改變，焊接變形也隨之改變。根據(jù)這一特征可以將結(jié)構(gòu)適當(dāng)分為多個部件，獨立進(jìn)行焊裝，這樣有利于收縮較大或者不對稱的焊縫充分收縮，減少結(jié)構(gòu)整體受到的影響，最后焊裝為整體。并且這樣做若后期需要矯正時也更為容易。

3.2.3控制焊接熱輸入

通常情況下，熱輸入較大時，加熱高溫區(qū)面積較大，冷卻速度減慢，導(dǎo)致接頭塑性更容易出現(xiàn)變形。因此對于屈服強度在345MPa以下且淬硬性一般的構(gòu)件，要盡量給予較小的熱輸入，可以先采取熱傳入更小的焊接方法，例如二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊或利用冷卻裝置在焊接過程中降低熱輸入。

結(jié)束語

焊接變形問題對產(chǎn)品多方面造成極大的影響，直接導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。所以有必要了解焊接變形問題，掌握焊接變形影響因素，采取針對性的控制措施。隨著未來焊接技術(shù)的不斷完善，控制焊接變形方法逐漸改進(jìn)，將會更加有效的避免焊接變形，從而減小其引起的損失。

參考文獻(xiàn)

[1]康麗齊， 孫志鵬， 王香，等. 基于TRIZ理論的車體焊接變形控制方法[J]. 城市軌道交通研究， 2020， 23（4）：9-12+31.

[2]鄶忠和. 分析不銹鋼薄板焊接變形影響因素與控制方法[J]. 湖北農(nóng)機化， 2020， （5）：156.

[3]劉衛(wèi). 厚壁不銹鋼管道焊接變形分析及控制方法[J]. 石油和化工設(shè)備， 2019， 22（4）：109-110.

[4]暢杰. 淺談橋梁制造中焊接變形的分析及控制[J]. 焊接技術(shù)， 2020， 49（5）：135-137.

作者信息：

第一作者 劉皓 1992.11.10 男 陜西西安 漢 碩士研究生 助理工程師 研究方向：材料加工工程

第二作者 李玉楊 1980.05.11 男 陜西西安 漢 碩士研究生 高級工程師 研究方向：機械加工工程

第三作者 范喜祥 1988.07.19 男 陜西西安 漢 碩士研究生 工程師 研究方向：機械加工工程