焊接变形的控制措施研究

姚继光

（镇江中船日立造船机械有限公司，江苏 镇江 212011）

0 引言

焊接作为一种非常重要的加工工艺，在制造工业中占据着重要地位，广泛地应用于机械制造、石油化工、原子能等领域。随着科学技术的蓬勃发展、焊接技术不断进步，正确地使用焊接方法，合理地安排焊接工艺，有效地控制焊接变形，降低制造成本，提高经济益，显得尤其重要。

焊接变形是直接影响焊接结构性能、安全可靠性和制造工艺的重要因素。它会导致在焊接接头中产生冷、热裂纹等缺陷，在一定条件下还会对结构的断裂特性、疲劳强度和形状精度等有不利的影响。在构件制造过程中，焊接变形往往会引起正常工艺流程的中断。因此，掌握焊接变形的规律，了解其作用与影响，采取措施控制和消除焊接变形，具有重要意义。

1 焊接变形的影响因素

焊接变形是由多种因素交互作用而导致的，焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接变形的决定因素。焊接变形一般分为2种，一种是焊接加热过程中产生的瞬态热变形，另一种是正常温度（即室温）下的残余变形。其因素可以综合归纳为：

1.1 材料因素

材料的热物理性能和力学性能参数都会影响到材料的焊接变形。其中热物理性能的影响主要是热传导系数对材料焊接变形的影响，通常热传导系数越小，材料温度变化越大，焊接变形现象就越明显。相对于热物理性能，力学性能对材料焊接变形的影响就比较复杂，其中热膨胀系数的影响是最大的。当材料的热膨胀系数增加时，焊接变形的程度也就增大。此外，力学性能中的屈服极限和弹性模量的变化也会在一定程度上影响材料的焊接变形。材料的弹性模量和焊接变形成反比例关系，也就是说随着弹性模量的增加，焊接变形反而会降低。屈服极限的增加会导致焊接变形过程产生较大的残余应力，再加上平均应力比较高，就会导致焊接结构材料对于变形的存储能力增加，从而促使脆性断裂事件的发生。塑性应变和塑性区域减小，焊接变形也随之减小。

1.2 结构因素

在结构设计阶段就需要将焊接变形考虑在内。结构是影响焊接变形的最为复杂的因素，我们通常看到的结构中采用了加强板、加强筋等就是对焊接结构的一种保护措施。一般来说，随着结构约束度的增加，焊接过程的残余应力会相应增加，从而使得材料的焊接变形降低。不过在焊接过程中，由于结构自身因素导致约束的可变性，再加上受到外界的约束作用，就使得结构约束变化比较复杂。在设计阶段通常为了保持结构的稳定性，会采用加强筋或者加强板等设计方法。加强筋和加强板的设计，给控制汽车结构的焊接变形带来了困难。所以在加强板等的设计方面，要加强尺寸和数量的控制，这在一定程度上可有效减小焊接变形。

1.3 工艺因素

焊接采用的方法、焊接顺序、焊接时的定位以及热输入量等对焊接变形的影响，被称为焊接工艺对焊接变形的影响。焊接工艺对焊接变形的影响是最多的，在所有工艺因素中，焊接顺序对焊接变形的影响最大。不同的焊接顺序对焊接结构残余应力的分布状态有很大影响，进而影响焊接变形状态。焊接工艺参数很多，这些参数对焊接变形的影响一直是焊接研究的重点，利用有效的焊接工艺可改善残余应力和减小焊接变形。

2 焊接变形的控制措施

由上文可知，影响焊接变形的因素主要有材料、结构和工艺，那么对于焊接变形的控制措施就从这3个方面着手。在选择焊接材料时通常选择热导系数比较大的焊接材料，焊接材料导热能力越好，越有利于降低焊接变形。此外，还要求材料的热膨胀系数较小、弹性模量较小等。但是材料的性能有一定范围的固定性，所以各个性能之间的权衡就很困难，一般来说通过焊接材料的选择来控制焊接变形比较困难。通常对于焊接变形的控制，是基于某一种材料选择某种容易实现的方式来降低焊接变形。如果是焊接材料已经选定，那么就从焊接结构的设计和焊接工艺的选择2个方面来控制焊接变形。

2.1 结构设计措施

（1）焊缝设计。焊缝设计主要是指对焊缝尺寸和形式进行设计，焊缝尺寸、焊接质量与焊接变形关系密切。焊缝越大，焊接变形越大。所以在设计焊缝尺寸时，应该尽可能在满足承载要求的情况下，越小越好。在焊缝形式的选择上要充分考虑承载能力要求，选择满足要求的并且可以实现焊缝尺寸减小的焊缝形式。（2）焊缝数量。焊缝数量对焊接变形的影响显而易见，焊缝越少对焊接变形越有利，这就要求设计时尽可能在满足要求的条件下，优化焊缝数量，避免不必要的焊缝，从而控制焊接变形。（3）焊缝位置。焊缝位置设计得合理，可有效减少梁和柱等结构的变形，设计时应尽量将焊缝布置在中性轴附近。

2.2 工艺措施

下面从焊接前、焊接过程和焊接后3方面来阐述控制焊接变形的工艺措施：（1）焊接前措施。焊接前的措施有3种：1）预变形。这种方法就是在焊接前预测焊接变形的状态，根据预测的焊接变形方向和形变大小，在待焊接产品装配时做一个与预测焊接变形相配合的形状，大小相同，方向相反。这样焊接后的变形刚好抵消了这个预留的变形，从而满足设计要求。2）预拉伸。该方法通常用在平面结构上，在焊接前使薄板存在一定的张力或者热膨胀，焊接后去除外力恢复初始状态，从而有效降低焊接变形，保障焊接质量。3）刚性固定组装。该方法同样是借助外力，通过夹具将待焊件尽可能实现刚性固定，从而有效地控制角变形和弯曲变形。（2）焊接过程措施。控制焊接参数、有效选择焊接顺序、加热、碾压、激冷等方法可实现对焊接变形的控制。比如，铝合金焊接时在焊枪两侧对母体金属加热，能够使电弧金属变形减小，降低焊缝区域的剪切应变，从而实现对焊接变形的控制。激冷方法也是控制焊接变形非常有效的工艺方法，随焊激冷能够显著降低焊接残余应力，减小焊接变形。在焊接时，尤其是在多道焊接过程中，焊接顺序的选择对残余应力和焊接变形的影响较大，采用不同的焊接顺序，可以改变残余应力的分布规律。（3）焊接后措施。焊接后即焊接已经结束，焊接变形已经形成，这时主要通过加热和机械这2种矫正方法来降低焊接变形对焊接质量的影响。加热矫正是通过对构件整体或者局部进行加热来矫正焊接变形。整体加热通常是将工件一直加热到锻造温度以上，然后再矫正。相比整体加热，局部加热在效果、成本以及使用范围上都有很多优势，局部加热通过火焰对焊接构件进行加热，由于材料热膨胀和自身刚性的相互作用而产生塑性变形，冷却后又收缩，抵消焊接时的变形，达到矫正目的。机械方法对焊接变形的矫正主要是通过静力加压、对焊缝滚压和锤击、电磁脉冲等方法，就是在焊接件上施加机械压力，使得构件产生与焊接变形的反力，从而实现矫正。强点脉冲矫正是利用高压电容产生的强脉冲磁场，通过磁场冲击力在焊接件相反方向的作用来抵消残余变形，实现焊接变形矫正。但该方法使用起来有很大局限，只适用于导电系数较高的材料。

3 结语

通过对焊接变形因素和控制措施进行分析，我们可以找到多种实现焊接变形控制的方法。但是我们也很容易发现，每种控制措施都有一定的局限性。那么在生产中就要求根据自身的需求和条件选择相应的方法，来实现对焊接变形的控制。在控制措施中，相对成熟和广泛使用的方法是焊接前和焊接过程焊接变形的控制，而焊接后的控制矫正方法还不够成熟和理想。对于焊接过程复杂的焊接工艺来说，分为焊接前、中、后3个阶段是远远不够的，因此寻找一种有效的控制方法成为日后焊接工艺的一个重要研究方向。

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