淺談焊接的收縮變形

摘 要：“收縮變形是焊接變形的一種形式，是指焊件尺寸比焊前縮短的現象”。焊接變形產生的主要原因就是焊件的不均勻受熱，焊縫金屬的收縮、焊接熱影響區金相組織的變化、焊件的剛性及外部加入的拘束力等都對焊接變形和焊接應力有著較大的影響。

關鍵詞：焊接技術；變形形式；影響因素；收縮變形的經驗計算；減少收縮變形

焊接是一種熱加工的加工工藝，加工過程中，工件會產生熱脹冷縮現象，在工件結構內部的力（應力）及外部的力（拘束力）共同影響下，必然會產生變形及應力狀態的變化。由焊接加工而產生的變形及應力變化，就是焊接變形及焊接應力。“焊接應力是引起脆性斷裂、疲勞斷裂、應力腐蝕斷裂和失穩破壞的主要原因，焊接變形使結構的形狀和尺寸精度難以達到技術要求，直接影響結構的制造質量和使用性能”。

“收縮變形是焊接變形的一種形式，是指焊件尺寸比焊前縮短的現象”。焊接變形和焊接應力產生的主要原因就是焊件的不均勻受熱，焊縫金屬的收縮、焊接熱影響區金相組織的變化、焊件的剛性及外部加入的拘束力等都對焊接變形和焊接應力有著較大的影響。影響焊接變形的因素很多，產生的變形也很復雜，由收縮造成的焊件尺寸縮短的收縮變形；沿焊縫厚度方向橫向收縮不均勻造成的角變形；沿焊件寬度方向收縮不均勻造成的彎曲變形；焊縫角變形沿焊縫長度方向分布不均勻造成的扭曲變形；大面積平板在不均勻的收縮下產生的波浪變形。

1 縱向收縮變形

“縱向收縮變形即沿焊縫軸線方向尺寸的縮短”。如果我們設焊接前的長度為L，焊后的長度為L-Δx，則Δx為焊后縱向收縮變形量。Δx的大小取決于“焊縫長度、焊件的截面積、材料的彈性模量、壓縮塑性變形區的面積以及壓縮塑性變形率有關，焊接的截面積越大，焊件的縱向收縮量越小；焊縫的長度越長，縱向收縮量越大”。

2 橫向收縮變形

“橫向收縮變形是指沿垂直于焊縫軸線方向尺寸的縮短”。如果我們設焊接前的寬度為B，焊后的寬度為B-Δy，則Δy為焊后橫向收縮變形量。Δy的大小與熱輸入、接頭形式、裝配間隙、板厚、焊接方法以及焊件的剛性等有關，焊接熱輸入越大，焊件的橫向收縮量越大；裝配間隙越大，橫向收縮量越大；焊件的剛性越大，橫向收縮量越小。

3 收縮變形的經驗計算

在焊接生產中，影響焊縫收縮量的因素很多，（1）在焊縫設計上的因素：母材的成分；母材的厚度；焊接結構形式；焊縫數量；焊縫長度；坡口形式等。（2）在生產工藝上的因素：裝配間隙大小；焊件是否有剛性固定；焊接方法；焊接熱輸入大小；定位焊；焊接層數、道數；焊接方向、順序等。（3）環境因素：室內還是室外；環境溫度、濕度等都影響著焊縫的收縮量。為了能估算焊接收縮量的大小，避免復雜的計算，在實際工作中，計算單層對接焊縫的焊接收縮量，可采用以下的經驗公式。

1）縱向收縮量

k1：系數，低碳鋼焊接，手工電弧焊為0.5，埋弧為0.7，CO2氣體保護焊為0.43；AH：焊縫的橫截面積； L：焊縫長度；A：焊件的橫截面積。

2）橫向收縮量

或

δ：板厚；b：裝配間隙。

4 減小收縮變形

我們知道，焊接的收縮變形與很多因素有關，要想減小焊接收縮變形，進而減小焊接變形對整體結構的影響，可以從以下幾方面加以考慮。

（1）在焊縫設計上，由于母材的成分、鋼板厚度、焊接結構形式等是根據焊件的使用要求、強度要求、材料的供應情況等不可改變因素所決定，不能做任何修改。因此，要在焊縫形狀、尺寸、數量和位置上加以考慮。

1）首先要選擇合理的焊縫形狀和尺寸。焊縫尺寸越小，焊接變形越小，在保證結構有足夠承載能力的前提下，可以選擇最小的焊縫尺寸；選擇合理的坡口形式，如用截面小的U型坡口替代截面較大的V型坡口；2）焊縫越多，結構產生的變形就越大，盡可能減少焊縫的數量，只要允許，多采用型材、沖壓件、鑄件，以減少焊縫數量；3）合理安排焊縫位置，焊縫離結構截面的中性軸越遠，變形量越大，“要把焊縫設計在結構截面的中性軸或靠近中性軸，力求使中性軸兩側的變形大小相等方向相反”。這些焊縫設計的措施，都是減小焊接變形的最根本的措施。

（2）在實際生產上，合理化生產工藝，采用能減小結構焊接變形的操作方法，減小結構的焊接變形。

1）采用留余量法，就是在下料時將零件的長度或寬度尺寸適當加大（比較與設計尺寸），加大多少，可以通過經驗技術獲得，這些加大尺寸，用以補償焊件的收縮；2）采用反變形法，根據焊件的變形是有規律可循的，通過規律，在工件焊接前預先將其向與產生焊接變形方向相反的方向，進行一個人為的變形，反變形的量與坡口形式、焊接參數等有關；3）采用剛性固定法，增加工件的剛性，把工件固定在剛性平臺上或由幾個工件組成剛性更大或對稱的結構；提高對焊縫邊緣的拘束，利用夾具或臨時支撐，把工件固定住，特別是焊縫邊緣產生變形最大的位置；4）合理的裝配焊接順序，“以小拼大”，“化整為零，集零為整”；施焊的焊縫盡量靠近結構截面中性軸；對稱布置結構，選用偶數焊工對稱施焊；5）選擇合理的焊接方法和焊接工藝參數，工件的受熱越小，產生的變形越小，現今可以盡量采用先進的焊接方法，利用熱效能高，能量集中和熱輸入較低的焊接方法，減少焊接變形，在不能改變焊接方法時，盡量減小焊接熱輸入，采用小直徑焊條、小電流，進行多層多道焊接。此外，通過熱平衡和迅速散熱也可以減少焊接變形。

（3）環境因素：盡量減少冬季在室外進行焊接、同時也要關注焊接環境的溫度、濕度等對焊接結構變形的影響。

參考文獻：

[1]王云鵬.焊接結構生產[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]邱葭菲.焊工工藝學[M].北京：職工勞動社會保障出版社，2009.

作者簡介：魯俊（1961-），男，遼寧鳳城人，大專，研究方向：焊接，助理實驗師。endprint