焊接变形及控制措施的探讨

焊接变形及控制措施的探讨

张济

南宁科泰机械设备有限公司广西南宁530000

摘要：焊接作为一种制造加工方法与工艺，在各领域得到广泛的应用，但在焊接过程中，焊件往往会产生不同程度的变形，影响了产品质量和生产成本，因此，探讨焊接变形及一些有效的控制措施是非常必要的。

关键词：焊接；焊接变形；焊接变形控制措施

焊接作为一种制造加工方法与工艺，在机械制造、航空航天、石油化工、船舶制造、海洋工程、大型建筑、国防装备、微电子、日用产品等各个领域得到了广泛的应用。大到“西气东输”、港珠澳大桥、小到电子芯片制造、微纳连接，都离不开焊接。但焊接时焊件容易变形，造成一定的危害，在生产过程中对控制焊接变形要有一定的措施。

一、焊接的物理本质

焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件达到永久结合的一种方法。

二、焊接变形的产生的原因及分类

在焊接过程中，焊件在高温下被迅速加热，并且热源是随着焊接的进行在不断地移动。这种急剧变化的温度所造成的不均匀加热和冷却，再加上焊件本身的刚度，将导致焊件产生严重的应力和变形。

焊接变形包括：纵向收缩、横向收缩、回转变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和波浪变形。

三、焊接变形的危害

1、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。

在生产中有时为了保证焊接后需要进行机械加工的工件尺寸，片面地多留余量，加大坯料尺寸，增加了材料消耗和机械加工工时。

2、过大的残余变形还要进行校正，增加结构的制造成本。

3、焊接变形还会降低焊接接头的性能和承载能力。

因此，实际生产中，必须设法控制焊接变形，使变形控制在技术要求所允许的范围之内。

四、焊接变形的控制

焊接变形的控制要从焊接结构的设计阶段开始，进入生产阶段时，可采用焊前预防变形的措施，在焊接过程中采用“积极”的工艺措施来减小或消除发生的残余变形。

1、控制焊接变形的设计措施

（1）选择合理的焊缝截面尺寸和坡口形式

焊接变形与焊缝金属的多少有很大关系，在保证结构承载能力和焊接质量的前提下，根据板的厚度选取合理的最小焊缝截面尺寸。如在保证强度相同的条件下，T字和十字接头采用开坡口的焊缝代替不开坡口的角焊缝可减少焊缝金属，也有利于减小角变形。

对接焊时选用对称的坡口形式比非对称的坡口形式，焊接时正反交替焊接容易控制角变形。

（2）合理选择焊缝长度和数量

在满足强度和密封性要求的前提下，用断续焊缝代替连续焊缝，可以减小焊接变形。另外，在设计过程中要尽可能减少焊缝数量，如采用型材、冲压件代替焊接件、筋板结构。

（3）合理安排焊缝位置

结构设计过程中，应尽量使焊缝中心线与结构截面的中性轴重合或靠近中性轴，力求使中性轴两侧的变形量大小相等，方向相反，起到相互抵消的作用。

2、控制焊接变形的工艺措施

（1）留余量法

留余量法主要用于防止焊件的收缩变形。

（2）反变形法

反变形法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，使之与焊接变形相抵消。T形接头翼板反变形数值C=KB/(30σ),其中C为翼板反变形数值，K为焊脚尺寸，B为翼板宽度，σ为翼板厚度，单位都为mm,。

（3）刚性固定法

刚性固定法是将焊件固定在具有足够刚性的台架机具上，或者临时装焊支撑，来增加焊件的刚度或拘束度，以达到减小焊接变形的目的。

常用的刚性固定法有以下几种：

将焊件固定在刚性平台上。薄板焊接时，为避免产生波浪变形，可用定位焊缝将其固定在刚性平台上，并且用压铁压住焊缝附近。

将焊件组合成刚性更大的或对称的结构。如T型梁焊接时将两根T形梁组合在一起，使焊缝对称于结构截面的中性轴，同时增加结构的刚性，并配合反变形法（采用垫铁）。

用临时支撑增加结构的刚性和拘束，可以降低构件产生角变形和弯曲变形等。

（4）选择合理的装配焊接顺序

采用合理的装配和焊接顺序，可以降低焊接变形，为了控制和减小焊接变形，装配焊接顺序应按以下：

①将结构件适当地分成部件，分别装配、焊接，然后再拼焊成整体，使不对称的焊缝或收缩量较大的焊缝能比较自由地收缩而不影响整体结构。

②焊缝非对称布置的结构，先焊焊缝少的一侧。由于先焊的焊缝变形大，焊缝少的一侧先焊时引起的总变形量不大，可用另一侧多的焊缝引起的变形来加以抵消，就可以减少整个结构的变形。

③焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称的施焊。采用单人先后的顺序施焊，则由于先焊的焊缝具有较大的变形，所以整个结构焊后仍会有较大的变形。当用两名焊工同时对称地进行焊接，则每条焊缝引起的变形可以相互抵消，焊后变形因此大为减小。

④长焊缝（1m以上）焊接。长焊缝（1m以上）焊接，可采用分段退焊法和分段跳焊法等方法来进行焊接，可以减小局部加热的不均匀性，从而控制和减小焊接变形。

（5）合理地选择焊接方法和焊接工艺参数

能量集中（如氩弧焊）和热输入较低的焊接方法，可有效地降低焊接变形。用CO2气体保护焊焊接中厚板所产生的变形比用焊条电弧焊焊接产生的变形小得多。薄板可以采用脉冲钨极氩弧焊、激光焊等方法焊接。当焊接方法确定后，在保证熔透和焊缝无缺陷的前提下，应尽量采用小的焊接热输入，具有对称截面形状和焊缝布置对称的焊件，焊接每一条焊缝时焊接热输入应保持一致。如果焊缝分布布对称，则远离中性轴的焊缝应该采用小热输入分层焊，尽量减小焊接变形。

（6）热平衡法

某些焊缝不对称布置的结构，焊后往往会产生弯曲变形。如果在与焊缝对称的位置上采用气体火焰与焊件同步加热，可以减小或防止构件的弯曲变形。

（7）散热法，就是通过各种方式将焊缝及其附近的热量迅速带走，减小焊缝及其附近的受热区，达到减小焊接变形的目的。

（8）锤击法

用圆头小锤敲击热态下的焊缝，使它在长、宽方向上延伸，产生塑性变形，从而减小焊缝的收缩变形。

五、结束语

焊接变形与材料、结构设计和焊接工艺等有关，焊接变形的存在影响着产品质量和生产成本，通过在设计阶段优化焊接结构的设计，在生产阶段，可采用焊前预防变形的措施，和焊接过程中采用“积极”的工艺措施，可以降低焊接变形，使变形控制在技术要求所允许的范围之内。

参考文献

[1]吴刚，金属结构制造工艺，北京：北京理工大学出版社，2014.

[2]罗辉，焊接结构生产，北京：化学工业出版社，2018.

[3]胡绳荪，焊接制造导论，北京：机械工业出版社，2018.