技术 | 焊接变形的控制和预防

1 焊接变形的定义

在焊接过程中，焊缝金属和基材的冷热循环所引起的膨胀和收缩形成焊接变形。焊接时，沿同一边持续焊接引起的变形比两边交叉焊接的变形大。在焊接引起的冷热循环中，很多因素影响金属的收缩并导致变形，如金属在受热时其物理、机械性能发生变化。当热膨胀增加、热量增大时(见图1)，焊接区域温度升高，焊接区域钢板的弯曲强度、弹性、热导性能将降低。

2 产生焊接变形的原因

在金属冷热变化过程中，应了解怎样产生变形、为什么产生变形。图2为一组钢板冷热变化时产生的变形示例。均匀加热钢板时，向各个方向均匀膨胀，见图2a。当钢板冷却至室温时，也是均匀收缩并恢复至原始尺寸。如果钢板在加热时给予刚性约束(见图2b)，两个侧边就不会产生变形。但是，加热时钢板一定会膨胀，所以只能在无约束的垂直方向膨胀(厚度方向)，从而使钢板变得更厚。同样，当钢板温度降至室温时，也将在各方向上收缩(见图2c)，这样，工件就发生了永久性弯曲或扭曲变形。

在焊接受热过程中，膨胀和收缩作用于焊接金属和基材上，焊缝和基材因局部被加热而形成很大的温度梯度。冷却时，焊接金属试图正常收缩至室温时的体积。但是，熔化的焊接金属因基材而受到约束，焊缝金属和基材之间就会产生应力集中。焊缝附近区域因此产生应力集中而伸展或弯曲或变薄，这些超过焊缝金属屈服应力的集中释放就形成了永久变形。

当焊接温度接近室温，整个基材受到约束而无法变形，金属的伸缩应力接近屈服应力。如果约束(夹具固定工件或反收缩力)取消，残余应力释放，基材将发生迁移，焊接工件将产生变形。金属内部结构因焊接不均匀的加热和冷却产生的内应力叫焊接应力，由焊接应力造成的变形叫焊接变形。不同的焊接工艺引起的焊接变形量不同。

3 影响焊接结构变形的主要因素和变形的种类

(1) 影响焊接结构变形的主要因素。

a.焊缝在结构中的位置；b.结构刚性的大小；c.装配和焊接顺序；d.焊接规范的选择。

(2)焊接变形的种类。

a.纵向收缩和横向收缩(在焊缝长度方向上的收缩称纵向收缩，在垂直于焊缝纵向的收缩称横向收缩)；b.角变形；c.弯曲变形；d.波浪变形；e.扭曲变形。

(3)从焊接工艺上分析，影响焊接收缩量的因素。

a.采用焊条电弧焊焊接长焊缝时，一般采用焊前沿焊缝进行点固焊，有利于减小焊接变形，同时也有利于减小焊接内应力。

b.备料情况和装配质量对焊接变形也会产生影响。

c.焊接工艺中影响焊缝收缩量的因素有:①线膨胀系数大的金属材料其焊接变形大，反之焊接变形小。②焊缝的纵向收缩量随着焊缝长度的增加而士曾力口。③角焊缝的横向收缩比对接焊缝的横向收缩小。④间断焊缝比连续焊缝的收缩量小。⑤多层焊时，第一层引起的收缩量最大，以后各层逐渐减小。⑥在夹具固定条件下的焊接收缩量比没有夹具固定的焊接收缩量小，减少约40%-70%；

4  控制收缩—尽可能减少变形

预防和减少焊接变形的方法必须考虑焊接工艺设计以及在焊接时克服冷热循环的变化。收缩无法消除，但可以控制。减少收缩变形的途径有以下几方面。

4.1勿过量焊接

越多的金属填充在焊接点会产生较大的变形力。正确制定焊缝尺寸，不仅能得到较小的焊接变形，还可节省焊材和时间。填充焊缝的焊接金属量应最小，焊缝应呈平坦或微凸形，过量的焊接金属不会增加强度，反而会增加收缩力，增加焊接变形(见图3)。

通常，焊接变形不作为“问题”时，选择常规的焊接接头最经济；变形量较大时，则应选择接头形式以平衡焊接应力和焊接金属填充量(见图4)。

4.2 间断焊缝

另一种减少焊缝填充量的途径是较多地采用间断焊接(见图5)。如焊接加强板，间断焊接可减少75%的焊缝填充量，同时也能保证所需强度。

4.3 减少焊道

采用粗焊丝、少焊道焊接比采用细焊丝、多焊道焊接变形小(见图6)。多焊道时每一焊道引起的收缩累计增加了焊缝总的收缩。由图6可知，少焊道、粗焊条焊接工艺比多焊道、细焊条焊接的工艺效果更好。

为了减少焊接变形和残余应力的影响，设计和焊装工件时应注意以下几点

(1）不进行过量焊接；

(2}控制好工件的定位；

(3)尽可能采用间断焊接，但应满足设计要求；

(4)尽可能采用小的焊脚尺寸；

(5)对于开坡口焊接，应使接头的焊接量最小，并考虑双边坡口替代单边坡口接头；

(6)尽可能采用多层多焊道焊替代单层双边焊交替焊接。在工件中和轴处开双面坡口焊接，采用多层焊，并确定双面焊接顺序；

(7)采用多层少焊道焊接；

(8)采用低热输入焊接工艺，意味着较高的熔敷率和较快的焊接速度；

(9)采用变位机使工件处于船形焊位置。船形焊位置可使用大直径的焊丝和高熔敷率的焊接工艺；

(10)尽可能在工件的中和轴设置焊缝，并对称施焊；

(11)尽可能地通过焊接顺序和焊接定位使焊接热量均匀扩散；

(12)向工件的无约束方向焊接；

(13)使用夹具、工装和定位板进行调整、定位。

(14)向收缩的相反方向预弯工件或预置焊缝接头。

(15)按序列分件焊装和总焊装，可使焊接围绕中和轴一直保持平衡。