姚繼光

（鎮(zhèn)江中船日立造船機(jī)械有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212011）

0 引言

焊接作為一種非常重要的加工工藝，在制造工業(yè)中占據(jù)著重要地位，廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造、石油化工、原子能等領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展、焊接技術(shù)不斷進(jìn)步，正確地使用焊接方法，合理地安排焊接工藝，有效地控制焊接變形，降低制造成本，提高經(jīng)濟(jì)益，顯得尤其重要。

焊接變形是直接影響焊接結(jié)構(gòu)性能、安全可靠性和制造工藝的重要因素。它會(huì)導(dǎo)致在焊接接頭中產(chǎn)生冷、熱裂紋等缺陷，在一定條件下還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的斷裂特性、疲勞強(qiáng)度和形狀精度等有不利的影響。在構(gòu)件制造過(guò)程中，焊接變形往往會(huì)引起正常工藝流程的中斷。因此，掌握焊接變形的規(guī)律，了解其作用與影響，采取措施控制和消除焊接變形，具有重要意義。

1 焊接變形的影響因素

焊接變形是由多種因素交互作用而導(dǎo)致的，焊接時(shí)的局部不均勻熱輸入是產(chǎn)生焊接變形的決定因素。焊接變形一般分為2種，一種是焊接加熱過(guò)程中產(chǎn)生的瞬態(tài)熱變形，另一種是正常溫度（即室溫）下的殘余變形。其因素可以綜合歸納為：

1.1 材料因素

材料的熱物理性能和力學(xué)性能參數(shù)都會(huì)影響到材料的焊接變形。其中熱物理性能的影響主要是熱傳導(dǎo)系數(shù)對(duì)材料焊接變形的影響，通常熱傳導(dǎo)系數(shù)越小，材料溫度變化越大，焊接變形現(xiàn)象就越明顯。相對(duì)于熱物理性能，力學(xué)性能對(duì)材料焊接變形的影響就比較復(fù)雜，其中熱膨脹系數(shù)的影響是最大的。當(dāng)材料的熱膨脹系數(shù)增加時(shí)，焊接變形的程度也就增大。此外，力學(xué)性能中的屈服極限和彈性模量的變化也會(huì)在一定程度上影響材料的焊接變形。材料的彈性模量和焊接變形成反比例關(guān)系，也就是說(shuō)隨著彈性模量的增加，焊接變形反而會(huì)降低。屈服極限的增加會(huì)導(dǎo)致焊接變形過(guò)程產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，再加上平均應(yīng)力比較高，就會(huì)導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)材料對(duì)于變形的存儲(chǔ)能力增加，從而促使脆性斷裂事件的發(fā)生。塑性應(yīng)變和塑性區(qū)域減小，焊接變形也隨之減小。

1.2 結(jié)構(gòu)因素

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段就需要將焊接變形考慮在內(nèi)。結(jié)構(gòu)是影響焊接變形的最為復(fù)雜的因素，我們通?？吹降慕Y(jié)構(gòu)中采用了加強(qiáng)板、加強(qiáng)筋等就是對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的一種保護(hù)措施。一般來(lái)說(shuō)，隨著結(jié)構(gòu)約束度的增加，焊接過(guò)程的殘余應(yīng)力會(huì)相應(yīng)增加，從而使得材料的焊接變形降低。不過(guò)在焊接過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)自身因素導(dǎo)致約束的可變性，再加上受到外界的約束作用，就使得結(jié)構(gòu)約束變化比較復(fù)雜。在設(shè)計(jì)階段通常為了保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，會(huì)采用加強(qiáng)筋或者加強(qiáng)板等設(shè)計(jì)方法。加強(qiáng)筋和加強(qiáng)板的設(shè)計(jì)，給控制汽車(chē)結(jié)構(gòu)的焊接變形帶來(lái)了困難。所以在加強(qiáng)板等的設(shè)計(jì)方面，要加強(qiáng)尺寸和數(shù)量的控制，這在一定程度上可有效減小焊接變形。

1.3 工藝因素

焊接采用的方法、焊接順序、焊接時(shí)的定位以及熱輸入量等對(duì)焊接變形的影響，被稱(chēng)為焊接工藝對(duì)焊接變形的影響。焊接工藝對(duì)焊接變形的影響是最多的，在所有工藝因素中，焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊懽畲?。不同的焊接順序?qū)附咏Y(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)有很大影響，進(jìn)而影響焊接變形狀態(tài)。焊接工藝參數(shù)很多，這些參數(shù)對(duì)焊接變形的影響一直是焊接研究的重點(diǎn)，利用有效的焊接工藝可改善殘余應(yīng)力和減小焊接變形。

2 焊接變形的控制措施

由上文可知，影響焊接變形的因素主要有材料、結(jié)構(gòu)和工藝，那么對(duì)于焊接變形的控制措施就從這3個(gè)方面著手。在選擇焊接材料時(shí)通常選擇熱導(dǎo)系數(shù)比較大的焊接材料，焊接材料導(dǎo)熱能力越好，越有利于降低焊接變形。此外，還要求材料的熱膨脹系數(shù)較小、彈性模量較小等。但是材料的性能有一定范圍的固定性，所以各個(gè)性能之間的權(quán)衡就很困難，一般來(lái)說(shuō)通過(guò)焊接材料的選擇來(lái)控制焊接變形比較困難。通常對(duì)于焊接變形的控制，是基于某一種材料選擇某種容易實(shí)現(xiàn)的方式來(lái)降低焊接變形。如果是焊接材料已經(jīng)選定，那么就從焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和焊接工藝的選擇2個(gè)方面來(lái)控制焊接變形。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施

（1）焊縫設(shè)計(jì)。焊縫設(shè)計(jì)主要是指對(duì)焊縫尺寸和形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，焊縫尺寸、焊接質(zhì)量與焊接變形關(guān)系密切。焊縫越大，焊接變形越大。所以在設(shè)計(jì)焊縫尺寸時(shí)，應(yīng)該盡可能在滿足承載要求的情況下，越小越好。在焊縫形式的選擇上要充分考慮承載能力要求，選擇滿足要求的并且可以實(shí)現(xiàn)焊縫尺寸減小的焊縫形式。（2）焊縫數(shù)量。焊縫數(shù)量對(duì)焊接變形的影響顯而易見(jiàn)，焊縫越少對(duì)焊接變形越有利，這就要求設(shè)計(jì)時(shí)盡可能在滿足要求的條件下，優(yōu)化焊縫數(shù)量，避免不必要的焊縫，從而控制焊接變形。（3）焊縫位置。焊縫位置設(shè)計(jì)得合理，可有效減少梁和柱等結(jié)構(gòu)的變形，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量將焊縫布置在中性軸附近。

2.2 工藝措施

下面從焊接前、焊接過(guò)程和焊接后3方面來(lái)闡述控制焊接變形的工藝措施：（1）焊接前措施。焊接前的措施有3種：1）預(yù)變形。這種方法就是在焊接前預(yù)測(cè)焊接變形的狀態(tài)，根據(jù)預(yù)測(cè)的焊接變形方向和形變大小，在待焊接產(chǎn)品裝配時(shí)做一個(gè)與預(yù)測(cè)焊接變形相配合的形狀，大小相同，方向相反。這樣焊接后的變形剛好抵消了這個(gè)預(yù)留的變形，從而滿足設(shè)計(jì)要求。2）預(yù)拉伸。該方法通常用在平面結(jié)構(gòu)上，在焊接前使薄板存在一定的張力或者熱膨脹，焊接后去除外力恢復(fù)初始狀態(tài)，從而有效降低焊接變形，保障焊接質(zhì)量。3）剛性固定組裝。該方法同樣是借助外力，通過(guò)夾具將待焊件盡可能實(shí)現(xiàn)剛性固定，從而有效地控制角變形和彎曲變形。（2）焊接過(guò)程措施?？刂坪附訁?shù)、有效選擇焊接順序、加熱、碾壓、激冷等方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接變形的控制。比如，鋁合金焊接時(shí)在焊槍兩側(cè)對(duì)母體金屬加熱，能夠使電弧金屬變形減小，降低焊縫區(qū)域的剪切應(yīng)變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接變形的控制。激冷方法也是控制焊接變形非常有效的工藝方法，隨焊激冷能夠顯著降低焊接殘余應(yīng)力，減小焊接變形。在焊接時(shí)，尤其是在多道焊接過(guò)程中，焊接順序的選擇對(duì)殘余應(yīng)力和焊接變形的影響較大，采用不同的焊接順序，可以改變殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。（3）焊接后措施。焊接后即焊接已經(jīng)結(jié)束，焊接變形已經(jīng)形成，這時(shí)主要通過(guò)加熱和機(jī)械這2種矯正方法來(lái)降低焊接變形對(duì)焊接質(zhì)量的影響。加熱矯正是通過(guò)對(duì)構(gòu)件整體或者局部進(jìn)行加熱來(lái)矯正焊接變形。整體加熱通常是將工件一直加熱到鍛造溫度以上，然后再矯正。相比整體加熱，局部加熱在效果、成本以及使用范圍上都有很多優(yōu)勢(shì)，局部加熱通過(guò)火焰對(duì)焊接構(gòu)件進(jìn)行加熱，由于材料熱膨脹和自身剛性的相互作用而產(chǎn)生塑性變形，冷卻后又收縮，抵消焊接時(shí)的變形，達(dá)到矯正目的。機(jī)械方法對(duì)焊接變形的矯正主要是通過(guò)靜力加壓、對(duì)焊縫滾壓和錘擊、電磁脈沖等方法，就是在焊接件上施加機(jī)械壓力，使得構(gòu)件產(chǎn)生與焊接變形的反力，從而實(shí)現(xiàn)矯正。強(qiáng)點(diǎn)脈沖矯正是利用高壓電容產(chǎn)生的強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)，通過(guò)磁場(chǎng)沖擊力在焊接件相反方向的作用來(lái)抵消殘余變形，實(shí)現(xiàn)焊接變形矯正。但該方法使用起來(lái)有很大局限，只適用于導(dǎo)電系數(shù)較高的材料。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)焊接變形因素和控制措施進(jìn)行分析，我們可以找到多種實(shí)現(xiàn)焊接變形控制的方法。但是我們也很容易發(fā)現(xiàn)，每種控制措施都有一定的局限性。那么在生產(chǎn)中就要求根據(jù)自身的需求和條件選擇相應(yīng)的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接變形的控制。在控制措施中，相對(duì)成熟和廣泛使用的方法是焊接前和焊接過(guò)程焊接變形的控制，而焊接后的控制矯正方法還不夠成熟和理想。對(duì)于焊接過(guò)程復(fù)雜的焊接工藝來(lái)說(shuō)，分為焊接前、中、后3個(gè)階段是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此尋找一種有效的控制方法成為日后焊接工藝的一個(gè)重要研究方向。

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