有關焊接變形原因與預防的探討

【摘要】 焊接變形可以分為在焊接熱過程中發生的瞬態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性能、設計結構和焊接工藝三個方面。

1. 材料因素的影響

金屬的焊接是金屬的一種加工性能，接變形的影響不僅和焊接材料有關，而且和母材也有關系，它決定于金屬材料的本身性質和加工條件。金屬的化學成分不同，其焊接性也不同。碳的影響最大，其它合金元素可以換算成碳的相當含量來估算它們對焊接性的影響。

碳當量CE=C+Mn/6+（Ni+Cu）/15+（Gr+Mo+V）

/5（%），式中各化學元素含量取其成分的上限。碳當量越大，焊接性能越差。

當CE<0.4%時，鋼材焊接性良好，冷裂紋傾向小，焊接時一般不需加熱；當CE=0.4～0.6時，焊接性較差，冷冽傾向明顯，焊接時需預熱并采取其它工藝措施；CE>0.6時，焊接性差，冷冽傾向嚴重，焊接時需要較高預熱溫度和嚴格的工藝措施。

2. 結構設計因素的影響

焊接結構的設計對焊接變形的影響最關鍵，也是最復雜的因素。雖然焊接工件隨拘束度的增加，焊接殘余應力增加，焊接變形相應減少，但在焊接變形過程中，工件本身的拘束度是不斷變化著的，復雜結構自身的拘束作用在焊接過程中占據主導地位，而結構本身在焊接過程中的拘束度變化情況隨結構復雜程度的增加而增加。在設計焊接結構時，常需要采用筋板或加強板來提高結構的穩定性和剛性，這樣做不但增加了裝配和焊接工作量，而且給焊接變形分析與控制帶來了一定的難度。因此，在結構設計時針對結構板的厚度及筋板或加強筋的位置數量等進行優化，對減小焊接變形有著十分重要的作用。

3. 焊接工藝的影響

3.1焊接方法的影響：

在金屬結構焊接常用的焊接方法有埋弧焊，手工焊和CO2氣體保護焊等，各種焊接方法的熱輸入差別較大，其中埋弧焊熱輸入最大，收縮變形最大，手工電弧焊居中，CO2氣體保護焊最小。一般情況下，焊接熱輸入大時，加熱的高溫區范圍大，冷卻速度慢，接頭塑性變形區增大。

3.2焊接接頭形式的影響

3.2.1表面堆焊時，焊縫金屬的橫向變形不但受到縱橫向母材的約束，而且加熱只限于工件表面一定深度而使焊縫的收縮同時受到板厚、深度、母材方面的約束，因此，變形相對較小。

3.2.2 T形角接接頭和搭接接頭時，其焊縫橫向收縮情況與堆焊相似，其橫向收縮值與角焊縫面積成正比，與板厚成反比。

3.2.3對接接頭在單道（層）焊的情況下，其焊縫橫向收縮比堆焊和角焊大，在單面焊時坡口角度大，板厚上、下收縮量差別大，因而角變形較大。

3.2.4雙面焊時情況有所不同，隨著坡口角度和間隙的減小，橫向收縮減小，同時角變形也減小。

3.3焊接層數的影響

3.3.1橫向收縮：在對接接頭多層焊接時，第一層焊縫的橫向收縮符合對接焊的一般條件和變形規律，第一層以后相當于無間隙對接焊，接近于蓋面焊道時與堆焊的條件和變形規律相似，因此，收縮變形相對較小。

3.3.2縱向收縮：多層焊接時，每層焊縫的熱輸入比一次完成的單層焊時的熱輸入小得多，加熱范圍窄，冷卻快，產生的收縮變形小得多，而且前層焊縫焊成后都對下層焊縫形成約束，因此，多層焊時的縱向收縮變形比單層焊時小得多，而且焊的層數越多，縱向變形越小。

焊接變形的預防與控制措施：

1. 設計措施

1.1盡量減少焊縫數量

焊縫截面積是指熔合線范圍內的金屬面積。坡口尺寸越大，焊縫面積越大，冷卻時收縮引起的塑性變形量越大，收縮變形越大。在設計焊接結構時，應當避免不必要的焊縫，盡量選用型鋼、沖壓件代替焊件。合理地選擇肋板的形狀，適當地安排肋板的位置，優化肋板數量，避免不必要的焊縫，以減少肋板數量來減少焊接和矯正變形的工作量。

1.2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，焊接量大，焊接變形就大。因此，要盡量減少焊縫的數量和尺寸，在保證結構的承載能力的條件下，設計時應盡量盡可能采用較小的坡口尺寸，減小焊縫截面積，對于板縫較大的對接接頭應選“X”型坡口代替“V”型坡口，減少熔敷金屬總量以減少變形。對于不需要進行強度計算的“T”型接頭，應選用工藝上合理的最小焊腳尺寸，采用斷續焊縫比采用連續焊縫更能減少變形。

1.3合理設計結構形式及合理安排焊縫位置

設計結構時應考慮焊接工作量最小，以及部件總裝時的焊接變形量最小。薄板結構應選合適的板厚，減少骨架間距及焊角尺寸，以減少波浪變形。此外，還應避免設計曲線形結構。由于焊縫橫向收縮通常比縱向收縮顯著，因此應盡量將焊縫布置在平行于焊接變形量最小的方向，焊縫位置應盡量對稱于截面中心線（或軸線），或者使焊縫接近中心線線（或軸線），這對于減少梁、柱等類型結構的扭曲曲變形有良好的效果。

2. 工藝措施

工藝措施是指在焊接構件生產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

焊接應力的控制措施主要包括反變形法、加裕量法、剛性固定法和預拉伸法。

2.1.1反變形法是根據預測的焊接變形大小和方向，在焊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，使構件恢復到設計要求的幾何形狀和尺寸。

2.1.2剛性固定法是采用夾具或剛性胎具將被焊構件加以固定來限制焊接變形，對于剛度小的結構剛性固定可有效的控制角變形、波浪變形及彎曲變形。

2.1.3預拉伸法是采用機械預拉伸或加熱預拉伸的方法使鋼板得到預先的拉伸與伸長，這時在張緊的鋼板上進行焊接裝配，焊后去除預拉伸或加熱，使鋼板恢復初始狀態。此方法多用于薄板平面構件，可有效地降低焊接殘余應力，防止波浪變形。

2.2焊接過程控制措施

焊接過程中采用合理的焊接方法和焊接參數，選擇合理的焊接次序，隨焊強制冷卻，等措施均可降低焊接殘余應力、減小焊接變形。

2.2.1先焊短焊縫后焊長焊縫。焊接1米以上的長焊縫時要兩頭中間斷斷續續的焊，不要連續焊接，采用逐步退焊、跳焊預留焊接長度的方法，預留100～200mm的焊縫對縱向收縮變形給予補償，減少焊接變形量。

2.2.2厚板焊接盡可能采用多層焊代替單層焊。“T”形接頭板厚較大時采用開坡口對接焊縫。雙面均可焊接操作時，要采用雙面對稱坡口，并在多層焊時采用與構件中心線（或軸線）對稱的焊接順序。

2.2.3縱向加強肋和橫向加強肋的焊接可采用間斷焊接法。中心板和內環板之間的焊縫，可由數名焊工均布對稱施焊，并可同時進行。

2.2.4對于焊縫較多的構件，組焊時要采取合理的焊接順序。根據結構和焊縫的布置，要先焊收縮量較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫；先焊拘束度較大而不能自由收縮的焊縫，后焊拘束度較小而能自由收縮的焊縫。

2.3焊后矯正措施

當構件焊接后，只能通過矯正措施來減小或消除已發生的殘余變形。焊后矯正措施主要分為機械矯正和加熱矯正。加熱矯正又分為整體加熱和局部加熱。

機械矯正：采用手工錘擊、壓力機、多輥平板機等對焊件進行靜力加壓或輾壓，產生新的塑性變形，使原來縮短的部分得到延伸，從而矯正變形。

加熱矯正：

2.3.1整體加熱矯正是指將整體構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。

2.3.2局部加熱矯正多采用火焰對焊接構件局部加熱，在高溫處，材料的熱膨脹受到構件本身剛性制約，產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， 局部加熱矯正方法簡便靈活，因此在生產上廣為應用。在實際使用時應控制加熱的溫度與位置，對于低碳鋼和普通低合金鋼，常采用600～800℃的加熱溫度。