焊接變形及其控制措施分析

郎書科

(渤海裝備遼河熱采機械公司，遼寧 盤錦 124209)

在焊接過程中，金屬常常會出現焊接變形與焊接應力現象。其中，焊接應力是金屬出現焊接裂紋的一個重要原因，即使金屬沒有出現裂紋，也會縮短金屬的使用年限，降低金屬焊接結構的承載能力，嚴重降低產品的質量。焊接變形不但會引起焊件形狀、尺寸的變化，同時在焊接過后，常常需要對其進行較為復雜的矯正工作，有時產品甚至會以報廢而告終。本文結合實例對常見焊接變形及其控制措施進行深入研究，具有重要意義。

1 焊接變形的類型

焊接變形是指在焊接金屬構件過程中，因金屬構件中產生不均勻溫度場造成內應力達到金屬材料的屈服極限，最終導致金屬局部出現塑性變形現象。當溫度降低至初始均勻狀態后，金屬構件內部便會出現新的內應力，即所謂的殘余應力。根據變形的特點，焊接變形可以分為以下幾種類型：第一，橫向收縮變形，是指焊接后構件在垂直焊接方向所產生的收縮變形；第二，縱向收縮變形，是指焊接后構件在焊縫方向所產生的收縮變形；第三，撓曲變形，是指焊接后構件發生的撓曲變形；第四，角變形，是指焊接后在焊縫周邊的構件平面上出現的角位移；第五，波浪變形，是指焊接后構件呈現波浪形，多在焊接薄板時發生。

2 焊接變形的控制措施

針對焊接結構的使用性能與制作精度，需要對其進行變形控制。為有效控制焊接變形，需要對影響該構件焊接變形的因素進行分析，并采取有效的措施對其進行變形控制，常見的控制措施如下：

2.1 合理選擇焊縫尺寸、坡口型式

隨著焊縫尺寸的增大，焊接變形也會隨之增大。在對焊縫尺寸進行設計時，首先要對焊接結構的承載力進行計算，在滿足條件的情況下，選用最小焊縫尺寸。各種厚度典型鋼板的最小角焊縫尺寸如表1所示。

表1 最小角焊縫的尺寸情況

通過對坡口型式進行合理選擇，能夠對焊接變形進行有效控制。例如，V形坡口對接接頭的角變形比雙Y形坡口的對接接頭角變形更為明顯，十字接頭與丁字接頭比不開坡口的角焊縫變形更大。

2.2 減少焊縫數量

焊接結構應盡可能地減少焊縫數量，優先選用厚度比較薄的構件，通過選用加強筋板，能夠有效提高焊接結構的剛度、穩定性，從而減少焊縫的數量，降低焊接變形的可能性。

2.3 確保合理的焊縫位置

焊縫位置應定在焊接結構的中性軸，從而減少焊接結構的彎曲變形。

2.4 合理選擇焊件尺寸

焊件尺寸對焊接變形具有較為顯著的影響。當焊件的厚度達到一定數值時，便會產生最大程度的角變形。此外，在對薄板結構進行焊接時，常常會出現比較大的波浪變形；在對細長結構進行焊接時，常常會出現彎曲變形。

3 實例分析

3.1 問題描述

小噸位履帶梁主體結構采用的是Q345鋼板，板厚在15～30 mm之間，由底板、蓋板以及若干立腹板拼焊接成封閉箱形結構。經現場跟蹤測量發現，小噸位履帶梁焊接變形主要表現為履帶梁兩端相對于底板產生上翹或下撓的變形趨勢，且變形量不一。其變形量最大時達到10 mm，大大超出技術要求范圍。

3.2 影響焊接變形的因素

通過對小噸位履帶梁整體結構及拼點過程進行綜合分析，認為影響焊接變形的因素主要有以下幾點：

(1)履帶梁腹板周圈焊縫為C14單邊坡口(見圖1腹板單件圖)，填平坡口后焊腳尺寸為15 mm，焊接量及熱輸入較大，是造成履帶梁焊接變形因素之一。

圖1 腹板單件圖

(2)焊接工藝參數不合理。合理的焊接工藝參數是保證焊縫質量的關鍵。在其他因素一定的情況下，電流電壓參數不合理導致焊接熱輸入太大，也是造成焊接變形的因素之一。

(3)焊接順序不合理。焊接操作指導書對焊工焊接時指導性不強，導致焊接變形量大小不一。

3.3 焊接變形的控制措施

由于在焊接底板與立腹板連接焊縫時，焊縫較集中，且焊接時熱輸入都在底板上方，因此單從加大底板的厚度提高底板的剛度來控制焊接變形不但會增加材料成本，而且收效不大。通過綜合考慮，從以下幾方面對履帶梁焊接變形進行控制。

3.3.1 更改坡口尺寸

圖紙焊接坡口設計為45°，這種坡口型式由于焊接時填充金屬多，熱輸入大，導致焊接變形較大，經聯合工藝進行試驗證明：板厚15 mm、坡口 30°的焊縫完全可以保證焊縫質量,且焊材消耗量相對較少。因此將履帶梁腹板 4×C14 單面坡口角度改為 4×30°坡口，坡口更改后的腹板見圖2，該坡口在減小焊絲填充量的同時可減小熱輸入量，從而減少焊接變形。

3.3.2 優化焊接工藝參數

焊接時，在其他因素一定的情況下，電流和電壓的配比值決定了焊接線能量的大小。因此，采取減小焊接熱輸入是控制焊接變形量大小的方式之一。在保證焊縫全熔透的情況下，盡量選擇低的焊接參數，從而達到控制焊后變形的目的。經多次試驗，焊接生產過程中，按表2所給焊接參數進行焊接，可較好地減小焊接熱輸入。

圖2 坡口更改后的腹板

焊接層數焊接電流I/A電弧電壓U/V1240～26024～262260～28026～283240～26026～28

3.3.3 完善焊接順序及方法

焊接時立板與上下蓋板連接外部焊縫是造成焊接變形的主要因素，因此將此焊縫進行打底焊后暫不進行填充及蓋面焊，待履帶梁主體結構其余焊縫焊完后再進行填充及蓋面焊；所有外焊縫的打底焊(第一層焊)焊接完成后，方可進行第二層填充焊焊接，當所有外焊縫的填充焊(第二層焊)焊接完成后，方可進行最后蓋面焊焊接，所有焊層焊接順序、方向全部相同。

3.3.4 效果驗證

經過對小噸位履帶梁焊接變形控制、跟蹤及總結，在更改外側立腹板坡口角度尺寸大小、優化焊接工藝參數、完善焊接順序及方法等手段，履帶梁焊接變形得到了有效控制，同時也大大縮短焊后整形工時，提升了焊接質量和工作效率。

4 結語

綜上所述，在構件焊接的過程中，需要重視焊接變形的預防和控制，了解引起焊接變形的原因，調整坡口尺寸，優化焊接工藝參數，完善焊接順序及方法，縮短焊后整形工時，從而提高焊接質量和工作效率。