浅谈焊接结构焊接变形的控制

浅谈焊接结构焊接变形的控制

毛德仁万延臣

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266000

摘要：焊接过程是对焊件的局部进行高温加热使其达到融化状态，随后快速冷却结晶形成焊缝，由于急剧的非平衡加热及冷却,结构将不可避免地产生焊后残余变形、应力以及金属组织的变化。焊接应力与变形直接影响焊件的尺寸精度、强度、刚度、稳定性以及耐腐蚀性能等。是影响结构设计完整性、制造工艺合理性和结构使用可靠性的关键因素。焊接应力与变形过大时，不仅给产品制造工艺增加困难，还会因焊接裂纹或变形过大无法矫正而导致构件报废，造成巨大经济损失。本文主要阐述焊接变形的影响因素、控制措施和方法。

关键词：焊接变形；影响因素；控制措施

引言

焊接过程中焊件的热应力是随时间而变化的瞬时应力，焊后残余下来，即为残余应力。按照焊接应力在空间的方向可以分为单项应力、双向应力和三项应力。薄板对接时，可以认为是双向应力。大厚度焊件的焊缝，三个焊缝的交叉处以及存在裂缝、加渣等缺陷通常出现三向应力，三相应力使材料的塑性降低、容易导致脆性断裂，它是一种最危险的应力状态。

1 焊接变形影响因素

1.1材料因素的影响

金属的焊接是金属的一种加工性能，接变形的影响不仅和焊接材料有关,而且和母材也有关系,它决定于金属材料的本身性质和加工条件。金属的化学成分不同，其焊接性也不同。碳的影响最大，其它合金元素可以换算成碳的相当含量来估算它们对焊接性的影响。当CE＜0.4%时，钢材焊接性良好，冷裂纹倾向小，焊接时一般不需加热；当CE=0.4～0.6时，焊接性较差，冷冽倾向明显，焊接时需预热并采取其它工艺措施；CE＞0.6时，焊接性差，冷冽倾向严重，焊接时需要较高预热温度和严格的工艺措施。

1.2结构设计因素的影响

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。虽然焊接工件随拘束度的增加,焊接残余应力增加,焊接变形相应减少，但在焊接变形过程中,工件本身的拘束度是不断变化着的，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。

1.3焊接工艺的影响

焊接方法的影响：熔焊使焊缝及其附近的母材经历了一个加热和冷却的热过程，由于温度分度不均匀，焊缝受到一次复杂的冶金过程，焊缝周围受到一次不同规范的热处理，引起相应的组织和性能的变化，直接影响焊缝质量。在金属结构焊接常用的焊接方法有埋弧焊，手工焊和CO2气体保护焊等，各种焊接方法的热输入差别较大，其中埋弧焊热输入最大，收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。一般情况下，焊接热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，接头塑性变形区增大。

焊接接头形式的影响：1)表面堆焊时，焊缝金属的横向变形不但受到纵横向母材的约束，而且加热只限于工件表面一定深度而使焊缝的收缩同时受到板厚、深度、母材方面的约束，因此，变形相对较小。2)T形角接接头和搭接接头时，其焊缝横向收缩情况与堆焊相似，其横向收缩值与角焊缝面积成正比，与板厚成反比。3)对接接头在单道(层)焊的情况下，其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大，在单面焊时坡口角度大，板厚上、下收缩量差别大，因而角变形较大。4)双面焊时情况有所不同，随着坡口角度和间隙的减小，横向收缩减小，同时角变形也减小。

2 焊接变形的预防与控制措施

2.1设计措施

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,焊接量大,焊接变形就大。因此,要尽量减少焊缝的数量和尺寸，在保证结构的承载能力的条件下,设计时应尽量尽可能采用较小的坡口尺寸，减小焊缝截面积，对于板缝较大的对接接头应选“X”型坡口代替“V”型坡口，减少熔敷金属总量以减少变形。对于不需要进行强度计算的“T”型接头，应选用工艺上合理的最小焊脚尺寸，采用断续焊缝比采用连续焊缝更能减少变形。当设计计算确定“T”接头角焊缝时，应采用连续焊缝，不应采用与之等强的断续焊缝，并应采用双面连续焊缝代替等强度的单面连续焊缝，以减少焊角尺寸。对于受力较大的“T”形式或“十”字接头，在保证强度的条件下，应采用开坡口的角焊缝比一般角焊缝可大大减少焊缝金属，减少焊接变形量。

合理设计结构形式及合理安排焊缝位置：设计结构时应考虑焊接工作量最小，以及部件总装时的焊接变形量最小。薄板结构应选合适的板厚，减少骨架间距及焊角尺寸，以减少波浪变形。此外，还应避免设计曲线形结构。由于焊缝横向收缩通常比纵向收缩显著，因此应尽量将焊缝布置在平行于焊接变形量最小的方向，焊缝位置应尽量对称于截面中心线（或轴线），或者使焊缝接近中心线线（或轴线），这对于减少梁、柱等类型结构的扭曲曲变形有良好的效果。

2.2工艺措施

焊前预防措施：焊接应力的控制措施主要包括反变形法、加裕量法、刚性固定法和预拉伸法。1)反变形法是根据预测的焊接变形大小和方向,在焊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。这种预制的反变形可以是弹性的，塑性的或弹塑性的。采用加裕量的办法控制焊接变形时，在工件下料尺寸上所加的焊接裕量通常为0.1%～0.2%,以弥补焊后变形。2)刚性固定法是采用夹具或刚性胎具将被焊构件加以固定来限制焊接变形，对于刚度小的结构刚性固定可有效的控制角变形、波浪变形及弯曲变形。结构刚度越大，刚性固定法控制弯曲变形的效果就越差。刚性固定可减少焊接变形，但会产生较大的焊接应力。3)预拉伸法是采用机械预拉伸或加热预拉伸的方法使钢板得到预先的拉伸与伸长，这时在张紧的钢板上进行焊接装配，焊后去除预拉伸或加热,使钢板恢复初始状态。此方法多用于薄板平面构件，可有效地降低焊接残余应力,防止波浪变形。

焊接过程控制措施：焊接过程中采用合理的焊接方法和焊接参数,选择合理的焊接次序，随焊强制冷却，等措施均可降低焊接残余应力、减小焊接变形。1)先焊短焊缝后焊长焊缝。焊接1米以上的长焊缝时要两头中间断断续续的焊，不要连续焊接，采用逐步退焊、跳焊预留焊接长度的方法,预留100～200mm的焊缝对纵向收缩变形给予补偿，减少焊接变形量。2)厚板焊接尽可能采用多层焊代替单层焊。“T”形接头板厚较大时采用开坡口对接焊缝。双面均可焊接操作时，要采用双面对称坡口，并在多层焊时采用与构件中心线（或轴线）对称的焊接顺序。3)纵向加强肋和横向加强肋的焊接可采用间断焊接法。中心板和内环板之间的焊缝，可由数名焊工均布对称施焊，并可同时进行。4)对于焊缝较多的构件，组焊时要采取合理的焊接顺序。根据结构和焊缝的布置，要先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝。5)选用不同的焊接参数，采用能量密度较高的焊接方法，通过较小的焊接热输入，控制焊接温度场，减小焊接变形。

一、结束语

综合分析上述焊接变形的影响因素与减小焊接变形的措施,基本了解焊接变形的原因及变形的种类,针对焊接变形的原因和控制措施从焊接工艺等方面进行改进,从而有效防止减少焊接变形所带来的危害。