試論焊接變形的影響因素及預(yù)防措施

王星星

（江蘇滕旋科技股份有限公司， 江蘇 無錫 214112）

引言

目前，隨著我國市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，機械化水平日益提升，焊接作為我國工業(yè)生產(chǎn)與加工產(chǎn)業(yè)中的重要工藝，已被廣泛應(yīng)用于各種工件制造的流程之中。變形是現(xiàn)階段我國焊接型工件發(fā)生頻率較高的問題之一，尤其是發(fā)生在焊接操作的具體部位的變形。焊接變形不僅會造成工件的制造精度失真、破壞其外在形象，而且可能由于結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性而影響工件的強度和承重能力，甚至形成安全隱患。一旦工件的焊接位置發(fā)生變形問題，應(yīng)立即進行矯正，矯正所需耗費的時間與焊接工程難度成正比。因此，應(yīng)深層次把握焊接變形并于焊接行為正式完成之前采取有效的預(yù)防措施，以避免焊接變形。

1 焊接變形的定義及分類

焊接變形是指當焊接行為實施過程中金屬性工件形成不均衡的溫度場域而導(dǎo)致其內(nèi)應(yīng)力超出了此金屬材料所能承載的上限，焊接部位及相關(guān)區(qū)域產(chǎn)生的塑性變形現(xiàn)象。而當焊接操作結(jié)束后，溫度下降至最初的均衡狀態(tài)，金屬工件內(nèi)就會形成新的內(nèi)應(yīng)力，是由于溫度下降至均勻狀態(tài)后殘存于金屬工件之中的，因此亦可以稱作殘余應(yīng)力，由殘余應(yīng)力所導(dǎo)致的焊接變形即為焊接殘余變形。一般情況下，焊接變形可依據(jù)變形發(fā)生的方向或特點分為七種類型，即縱向收縮變形、橫向收縮變形、撓曲變形、角變形、波浪變形、錯邊變形以及螺旋變形。其中：縱向收縮變形主要是指沿著焊接形成的縫隙方向發(fā)生的收縮與形狀變化；撓曲變形則主要是指金屬工件在發(fā)生焊接操作后形成的撓曲現(xiàn)象，是由焊縫的縱向收縮引起，或由橫向收縮引起。

2 焊接變形的影響因素

2.1 材料因素

材料是影響焊接變形的最基礎(chǔ)因素之一。材料不僅包含焊接材料，而且也涉及到母材，不同材料所具有的熱物理性能參數(shù)和力學性能參數(shù)均會對金屬構(gòu)件的焊接操作過程與焊接效果形成關(guān)鍵性的作用。首先，對于焊接過程所涉及的各種材料的熱物理性能參數(shù)而言，對焊接行為所造成的影響主要通過熱傳導(dǎo)系數(shù)來體現(xiàn)，通常情況下，熱傳導(dǎo)系數(shù)值愈小，溫度的不均衡性與差別則愈大，焊接位置所可能形成的變形就會愈明顯。其次，對于焊接過程所涉及的各種材料的力學性能來說，焊接操作的影響過程較為復(fù)雜，最突出的因素則是熱膨脹系數(shù)，焊接變形產(chǎn)生的概率以及嚴重程度與熱膨脹系數(shù)值成正比例關(guān)系。同時，材料面對高溫煅燒時的最高屈服值與彈性模量等也會在一定程度上影響焊接變形。

2.2 結(jié)構(gòu)因素

除卻材料因素之外，焊接結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計與具體形式亦是造成焊接變形的重要原因，且具有較強的關(guān)鍵性與復(fù)雜性。結(jié)構(gòu)因素對焊接變形的影響過程可總結(jié)為焊接變形發(fā)生的概率與嚴重程度會隨著焊接結(jié)構(gòu)的拘束度的增加而不斷降低。通常來說，焊接行為的具體操作過程中，工件自身所固有的拘束度并不是一塵不變的，而是時刻變化的，工件在不斷調(diào)整自身拘束度的同時，亦受到外部拘束度的作用。焊接結(jié)構(gòu)所形成的拘束度是影響焊接質(zhì)量與焊接變形的最關(guān)鍵因素，其拘束度的變化與焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計復(fù)雜性成正比例關(guān)系。因此，焊接方案設(shè)計人員應(yīng)在勾畫焊接部位的構(gòu)造時綜合考慮各種因素，同時選取適當?shù)慕畎寤蚣訌姲宓龋詮娀附咏Y(jié)構(gòu)的剛性與穩(wěn)定性。

2.3 工藝因素

焊接工藝是指焊接操作過程所使用的各種焊接技術(shù)，焊接工藝的恰當與否、精準與否可直接影響到焊接操作和焊接變形的發(fā)生。具體來說，影響焊接變形的工藝因素主要包含焊接方法、焊接熱輸入量、工件結(jié)構(gòu)的定位方法、不同材料的焊接順序以及選取的焊接胎架類型等。其中，不同材料的焊接順序最為關(guān)鍵，通常，焊接順序會在很大程度上直接決定著金屬工件內(nèi)殘余應(yīng)力的分布情況及其具體狀態(tài)以及焊接變形問題形成的可能性。

3 焊接變形的有效預(yù)防錯施

3.1 設(shè)計預(yù)防措施

焊接操作的具體方案設(shè)計對于焊接結(jié)構(gòu)、焊接過程使用的施工技術(shù)、焊接順序等都具有決定性的影響，因此，焊接操作的設(shè)計環(huán)節(jié)是預(yù)防焊接變形發(fā)生的重要環(huán)節(jié)。首先，根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與應(yīng)用情況等選取恰當?shù)暮缚p大小與形式。焊縫的尺寸大小不僅決定著焊接操作的具體任務(wù)量，且對于焊接變形亦具有重要影響，焊縫尺寸與焊接操作的具體任務(wù)量、焊接變形等存在著正比例關(guān)系。由此可以看出，若焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承重性已達到應(yīng)用要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計時可不斷降低焊縫尺寸。其次，最大程度上避免不必要的焊縫，降低焊接操作過程中的焊縫數(shù)量。若想達到上述目標，在設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時，必須采用恰當?shù)慕畎澹⑵浒仓迷谧钸m合的區(qū)域，繼而嚴格控制焊接縫隙的數(shù)量，降低發(fā)生變形的可能性。最后，統(tǒng)籌兼顧整個焊接結(jié)構(gòu)，恰當設(shè)置焊縫位置，即焊接的縫隙能夠與焊接截面的中性軸呈對稱狀態(tài)或無限靠近，有效避免撓曲變形。

3.2 工藝預(yù)防措施

工藝預(yù)防措施，即在焊接操作的具體過程中所采取的各種技術(shù)性預(yù)防方法，主要包含焊接操作前與焊接操作過程中實施的預(yù)防措施。

1）焊接操作前的預(yù)防措施。比較典型且防范效果較佳的預(yù)防措施包含預(yù)變形法、預(yù)拉伸法和剛性固定組裝法。預(yù)變形法，亦可稱之為反變形法，即在焊接操作實施之前根據(jù)工件結(jié)構(gòu)和焊接發(fā)生部位預(yù)估焊接變形可能形成的方向與嚴重程度，在待焊工件裝配時產(chǎn)生與焊接殘余變形大小相當、方向相反的預(yù)變形量，焊后焊接殘余變形抵消了預(yù)變形量，最終促使工件恢復(fù)到最初的設(shè)計要求。預(yù)拉伸法通常被應(yīng)用于薄板平面構(gòu)件，焊接是在薄板有預(yù)張力或預(yù)先熱膨脹量的情況下進行的，待焊接完成后薄板恢復(fù)初始狀態(tài)，可有效降低殘余應(yīng)力，控制焊接變形。剛性固定組裝法，顧名思義，即選取結(jié)構(gòu)形態(tài)最為相符的夾具或剛性胎具以準確固定被焊構(gòu)件，避免其角變形與彎曲變形。

2）焊接操作過程中的預(yù)防措施。即技術(shù)人員需選用最恰當?shù)暮附臃椒ā⒁?guī)范參數(shù)、焊接順序及隨焊碾壓、跟蹤激冷等方法。隨焊碾壓、跟蹤激冷等能夠有效降低殘余應(yīng)力、減小焊接變形。焊接順序?qū)附託堄鄳?yīng)力和變形的產(chǎn)生影響較大，在采用不同的焊接順序時，可改變殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，控制焊接變形。

4 結(jié)語

焊接變形作為我國現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)與各金屬構(gòu)件所存在的普遍性問題之一，其危害與影響較為嚴重。一方面，焊接變形導(dǎo)致工件制造精度失真、破壞其外在形象，另一方面，亦可能影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、強度和承重能力，甚至形成安全隱患。因此，焊接施工技術(shù)人員在設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)前應(yīng)綜合考慮，分析可能影響焊接質(zhì)量與焊接變形的多種因素，針對性地采取預(yù)防措施，減小焊接變形發(fā)生的可能性。

參考文獻

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