焊接變形問題及控制方法

劉皓 李玉楊 范喜祥

摘要：焊接時由于結構短時間受到加熱、冷卻和殘余應力等因素的影響，無法避免的出現焊接殘余變形，焊接變形對結構完整程度、工業合理性以及使用安全性產生重要影響。為此，本文對焊接變形的原因及影響因素進行分析，并提出相應的控制方法。

關鍵詞：焊接;變形;控制方法

焊接是對結構局部進行加熱的一種工藝方法，在焊接過程中以及焊接結束后，由于多種因素的影響，常出現焊接應力、變形問題。焊接應力和焊接變形會對焊接結構性能造成一定程度影響，例如強度、精度、穩定性以及抗腐蝕性等[1]。同時，嚴重的焊接變形問題還會提高工藝制造難度，延長生產周期，增加成本消耗，造成資源浪費。基于此，本文就焊接變形問題及控制方法進行綜述。

1.焊接變形原因及分類

焊接過程中，結構所受到的不均勻熱量是導致焊接變形的主要原因。除此之外，包括材料類型的不同、制造工藝、結構自身狀況等因素對熱源附近金屬運動產生影響，最終造成焊接變形問題。焊接變形按照形態的不同可分為多類，常見的包括角變形、彎曲變形、錯邊變形以及波浪變形等。

2.焊接變形的影響因素

2.1材料因素

材料對焊接變形的影響較大，并且和母材密切相關，尤其是材料熱物理性能及力學參數均對焊接變形產生直接影響[2]。熱物理參數性能常表現在熱傳導系數方面，通常情況下熱傳導系數下降，溫度梯度上升，越容易引起焊接變形。而力學性能參數在多個方面影響著焊接變形，其中熱膨脹系數影響較為顯著，熱膨脹系數和焊接變形幾率成正比。同時，材料在高溫區的屈服極限、彈性模量和跟隨溫度變化率與焊接變形具有密切聯系。通常彈性模量升高，其焊接變形也越少。但是屈服極限上升時，會導致殘余應力增多，同時引起焊接結構中的變形能量增加，導致結構脆性上升，從而發生斷裂。除此之外，因為塑性變形相對不多，塑性區域范圍相對較小，所以焊接變形隨之減少。

2.2結構因素

焊接變形中焊接結構的設計是最為關鍵的影響因素，對焊接變形影響較為復雜。從整體來看，當拘束度升高時，焊接殘余變應力隨之上升，對應減少了焊接變形的出現。焊接過程中，當結構出現變形時，工件拘束度呈持續變化趨勢，自身轉變為拘束狀態，并受到外部拘束干擾。通常來說，復雜結構在焊接過程中自身拘束作用發揮了關鍵作用。同時隨著結構復雜程度的增加，結構自身在焊接時的拘束度隨之上升。焊接結構設計過程中，為了確保結構的可靠性和穩定性，通常要使用加強板或者筋板。但這樣一方面會大量增加焊接工作和裝配內容，同時在加強板和筋板的部分位置，一旦拘束度出現改變，也會使控制焊接變形更為困難。因此，在設計結構時，需要深入優化結構板厚度，控制加強筋和筋板數量，合理合計加強筋、筋板位置，有利于降低焊接變形幾率。

2.3工藝因素

焊接工藝從多方面影響著焊接變形，常見的包括焊接方法、構件定位、夾具使用、胎架焊接以及焊接順序等[3]。在工藝方面的各種影響因素中，焊接變形受到焊接順序的影響較為顯著，通過對焊接順序進行適當改變，能夠促使殘余應力位置發生變化，同時改變殘余應力狀態，繼而有利于降低焊接變形風險。除此之外，焊接變形也受到多層焊接和焊接工藝參數等因素的影響。

3.焊接變形的控制方法

3.1設計方面

3.1.1合理選擇焊縫大小及形狀

對于板厚較大的對接接頭，以往較多使用V形坡口，目前可使用X形坡口進行替代。因為在板達到一定厚度后，在熔敷金屬量方面，X形坡口對比V形坡口可少接近一半。若對接接頭板厚更大時，可直接采用U形或者雙U形坡口，甚至也可進行窄間隙神坡口焊縫，有利于避免焊接變形出現。當結構承載能力得到足夠的保證下，應盡可能的減小焊縫大小。對于T形焊接接頭，當不需要計算強度時，可在保證工藝合理的前提下，最大限度縮小焊縫焊腳大小。與此同時，在選擇最小的焊腳后，采取斷續焊縫相較于連續，可更好的避焊接變形。十字接頭或者T型接頭通常所受的力更大，在確保同等的強度基礎上，開坡口角焊縫相較于常規角焊縫，能夠最大限度減少金屬焊縫，防止發生焊接變形。對于通過計算得到的T形接頭角焊縫，可盡量選擇連續焊縫，避免選擇和連續焊縫強度相同的斷續焊縫。同時應盡量選擇雙面連續焊縫，避免選擇強度相同的單面連續焊縫，這樣做有利于縮小焊縫焊腳大小。

3.1.2盡量減少焊縫數量

在焊接結構的設計過程中，應最大限度減少焊縫數量，減少多余的焊縫。同時可以盡可能多的使用型鋼、沖壓件來代替焊接件。比如對于筋板結構，可以使用壓型結構進行代替，可有效的避免薄板變形。若結構件本身要求較低，也可根據情況增加一定平板厚度，可減少對筋板的使用量，繼而降低焊接變形矯正量。

3.1.3使用合適的結構形式，科學分布焊縫位置

在焊接的過程中，使焊縫盡量和橫截面中心軸線相對稱，亦或者使焊縫盡量接近中心軸線，能夠最大限度避免結構彎曲變形。這是因為當焊縫主要分布在中心軸線一邊時，易導致較大的變形彎曲，因此盡可能的采取對稱狀態[4]。在焊縫收縮過程中，縱向相較于橫向明顯更小，所以對于焊縫位置的選擇，盡量使其分布在平行于對焊縫變形要求不高的方向。采取分部件焊接方法，將結構分部件焊接可行性作為設計的重點考慮方向，同時要保證部件總裝時焊接工作量增加，避免總裝出現焊接變形。

3.2工藝方面

3.2.1采取合適的焊接方法

在選擇焊接方法時，盡量采取高能量密度方法，常見的包括二氧化碳氣體保護焊、手工點弧焊以及等離子弧焊等，此類方法適用于薄板焊接，可極大程度避免焊接變形。雖然通過降低焊接線能量可減少一定的焊接變形，但在工作實踐中，考慮到生產速度等因素后，不能過多降低焊接線能量。若焊接構件呈不對稱狀態，在焊接時選擇不同的焊接參數，繼而減少彎曲變形量。

3.2.2采取科學的焊接裝配順序

裝配構建時，側面中心位置持續改變，焊接變形也隨之改變。根據這一特征可以將結構適當分為多個部件，獨立進行焊裝，這樣有利于收縮較大或者不對稱的焊縫充分收縮，減少結構整體受到的影響，最后焊裝為整體。并且這樣做若后期需要矯正時也更為容易。

3.2.3控制焊接熱輸入

通常情況下，熱輸入較大時，加熱高溫區面積較大，冷卻速度減慢，導致接頭塑性更容易出現變形。因此對于屈服強度在345MPa以下且淬硬性一般的構件，要盡量給予較小的熱輸入，可以先采取熱傳入更小的焊接方法，例如二氧化碳氣體保護焊或利用冷卻裝置在焊接過程中降低熱輸入。

結束語

焊接變形問題對產品多方面造成極大的影響，直接導致產品質量下降。所以有必要了解焊接變形問題，掌握焊接變形影響因素，采取針對性的控制措施。隨著未來焊接技術的不斷完善，控制焊接變形方法逐漸改進，將會更加有效的避免焊接變形，從而減小其引起的損失。

參考文獻

[1]康麗齊， 孫志鵬， 王香，等. 基于TRIZ理論的車體焊接變形控制方法[J]. 城市軌道交通研究， 2020， 23（4）：9-12+31.

[2]鄶忠和. 分析不銹鋼薄板焊接變形影響因素與控制方法[J]. 湖北農機化， 2020， （5）：156.

[3]劉衛. 厚壁不銹鋼管道焊接變形分析及控制方法[J]. 石油和化工設備， 2019， 22（4）：109-110.

[4]暢杰. 淺談橋梁制造中焊接變形的分析及控制[J]. 焊接技術， 2020， 49（5）：135-137.

作者信息：

第一作者 劉皓 1992.11.10 男 陜西西安 漢 碩士研究生 助理工程師 研究方向：材料加工工程

第二作者 李玉楊 1980.05.11 男 陜西西安 漢 碩士研究生 高級工程師 研究方向：機械加工工程

第三作者 范喜祥 1988.07.19 男 陜西西安 漢 碩士研究生 工程師 研究方向：機械加工工程