汽车车架焊接应力与变形的控制方法

黄瑾

摘 要 2013年底我国汽车保有量约为1.37亿辆，汽车在装配制造或者钣金维修时都会用到焊接，特别是近年来，车身广泛采用承载式车身，车身薄焊接后变形严重，如何采取措施减小车架在焊接工序中发生的应力与应变，从而提高焊接工序的精度，有着十分重要的现实意义。本文主要阐述车架焊接变形的影响因素、控制措施和方法。

关键词 汽车车架；焊接变形；焊接应力；控制措施

中图分类号：TG444 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）08-0091-02

车架在焊接时，加热和冷却是不均匀的，所以，各个焊接接头热胀冷缩不均匀。而车架本身是一个整体，各个梁之间是互相制约，导致不能自由地伸长和缩短，这就使接头内产生不均匀的变形，所以在焊接过程中就会产生应力和变形。焊接应力和变形会影响其他零部件的装配，因此是车架设计和制造中必须考虑的问题。

1 焊接应力与焊接变形的产生原因

1）车架受热不均匀。在整个焊接过程中，车架焊缝受热是不均匀的，不均匀的加热引起车架不均匀的热胀冷缩，冷却后就使车架内部产生残余内应力。

2）焊缝的收缩。焊缝在冷却时，由液态结晶为固态时，体积会有一定的收缩。但是焊缝与母材是一个整体，焊缝金属不能自由地膨胀和收缩，所以引起整个车架的变形，同时在焊缝中引起残余焊接应力。

3）焊缝的刚性和拘束。焊缝的刚性和拘束作用，对车架变形和应力的产生也有很大的影响。刚性指焊件抵抗焊接变形的能力。拘束是焊件周围对车架变形的制约作用。刚性是车架本身的性能，它和车架的材料、车架横截面积以及尺寸的大小有关系，而拘束是一种客观条件，车架自身的刚性及受周围的拘束程度小，那么焊接变形就大，但是焊接应力反而小。

2 控制焊接变形的措施和矫正方法

2.1 控制残余变形的措施

1）选择合理的装配和焊接顺序，采用合理的装焊顺序，对于控制焊接残余变形尤为重要。通常，将车架组装后再进行焊接，对于不能采用先组装再焊接的车架，也要选择合适的装焊顺序，控制焊接变形。

2）选择合理的焊接顺序。①对于对称的车架，采用对称焊接方法，可以有效地避免焊接变形。②对于不对称的车架，先焊焊缝少的一侧，后焊焊缝多的一侧。

3）选择合理的焊接方法 焊缝较长时，从中间向两端焊接，或者采用分段跳焊法，使焊缝受热均匀，减少焊接变形。

4）采用反变形法，焊接前把焊件向变形方向的反方向预先弯一点，这种方法叫做反变形法，可以很有效地控制焊接变形。

5）刚性固定法，车架在焊接前，通过装配夹具把车架固定从而限制焊接是的热胀冷缩，待车架冷却后再放松，以便消除焊接变形。

6）合适的线能量，采用合适的线能量通过控制焊接温度来减少焊接变形。

7）散热法，在焊接时，采用强制冷却，使焊缝周围热量大大减少，减少热胀冷缩，控制焊接变形。

8）控制焊缝的数量，在设计焊接结构时，尽量避免不必要的焊缝，选用冲压件代替焊接，合理地选择肋板的形状，适当地安排肋板的位置，优化肋板数量，避免不必要的焊缝。

2.2 焊接残余变形的矫正方法

1）机械矫正法，运用专用机械对车架变形处给予拉伸、压缩或者弯曲。含碳量不高的车架，在焊接后可以直接进行机械矫正；对于合金钢的车架，在焊接后一定要进行去应力热处理后才可以进行机械矫正，防止损坏车架。

2）火焰加热法矫正，运用氧乙炔火焰对变形的车架进行合适的加热使之膨胀，但是周围未加热的部分温度较低，限制膨胀产生压缩变形，从而使变形得以矫正。①火焰加热的温度。火焰加热法矫正时加热温度应该控制在600℃-800℃，所以必须严格控制加热温度，材料的加热温度可以根据表面颜色的变化来识别，见表1钢材表面颜色与其相应温度。②火焰的加热方式。点状加热的加热区域为一圆圈状点，圆圈的直径一般不大于15 mm，点与点之间距离一般为50 mm-100 mm，通常采用线状加热火焰一般做直线移动或者稍微做横向摆动，加热线的宽度一般为0.5-2倍的板厚。三角形加热加热区域为三角形，适用于变形严重且刚性较大的车架，一般三角形的高度为板厚的0.2倍。

表1 钢材表面颜色与其相应温度

颜色 温度（℃） 颜色 温度（℃）

深褐红色 550-580 樱红色 770-800

褐红色 580-650 淡樱红色 800-830

暗樱红色 650-730 亮樱红色 830-900

深樱红色 730-770

3 减少和消除焊接残余应力方法

3.1 减少焊接残余应力的工艺措施

1）设计车架时，尽量采用刚性小的焊接接头，避免焊缝集中、十字接头和交叉焊缝。

2）尽可能减少焊缝的数量和尺寸，焊缝不要出现在应力集中区域。

3）采用合理的焊接顺序和方向。①首先焊接收缩大的焊缝，使焊缝能自由地收缩减少焊接应力。②先焊接短焊缝，后焊接长焊缝，壁厚不一先焊薄边，是焊缝具有较大的横向收缩余地。③对于工作时受力大的结构应先焊接。

4）反变形法，反变形法可以降低局部刚度，使焊缝冷却时能自由地收缩，在焊接是预先考虑收缩量，保证焊后车架达到所需的尺寸。

3）锤击焊缝区法，用小圆头锤对焊后的焊缝及焊缝周围进行匀速、适度的锤击，使焊缝区延展疏松，抵消一部分焊接应力。

4）预热法，焊接前对车架进行整体或者局部预热100℃-150℃，使得车架先产生热胀冷缩，这样焊接时就能有效防止焊接应力。

5）减少线能量，采用小电流、小坡口、较快的焊接速度，控制熔池的温度，对于薄板采用Co2气体保护焊，对于厚板采用多层多道焊。

3.2 消除焊接残余应力的方法

1）焊后热处理，利用金属在高温下屈服极限的降低，使内应力高的地方产生塑性流动，弹性变形减少，塑性变形逐渐增加而使应力降低。对焊后的车架进行去应力退火，可以消除80%的焊后残余应力。

2）机械拉伸法，通过机械拉伸产生塑性变形来释放焊接残余应力，这种方法能消除20%-50%的焊接残余应力。

3）温差拉伸法，在焊缝的两侧用氧乙炔火焰加热150℃-200℃后用冷水冷却，通过冷却收缩来拉伸焊缝，达到消除焊接残余应力的目的，通过这种方法可以消除50%-70%的焊接残余应力。

4）振动法，将焊件在一定频率下进行十分钟左右的振动处理，以振动的能量给工件施加附加应力，当附加应力与残余应力叠加后，达到或超过材料的屈服极限时，工件就会发生微观或宏观塑性变形，这样就降低和均匀化了残余应力，使焊件尺寸精度稳定，消除焊接应力。

4 结论

如何控制车架焊接变形和减少残余应力，是国内外专家关注的焦点之一，为此本论文的重点如何防止车架焊接应力和变形。主要内容介绍了造成焊接应力与变形的影响因素、产生的原因以及预防的措施等，焊接构件采用何种方法控制应力及变形，要进行具体分析。根据不同状况，选择合适的控制措施。从而达到既保证安全又经济实用的目的，以减少后期矫正的工作量，从而提高工作效率，减少焊接变形所带来的危害。

参考文献

[1]《焊接工艺与操作技巧丛书》编委会.焊接应力、变形的控制工艺与操作技巧[M].辽宁：辽宁科学技术出版社，2011.

[2]方洪渊.焊接结构学[M].机械工业出版社，2008：35-36.

[3]叶宏.金属材料与热处理[M].化学工业出版社，2009：

12-13.

[4]邹新升.汽车钣金[M].天津：天津科技出版社，2009：12.endprint

摘 要 2013年底我国汽车保有量约为1.37亿辆，汽车在装配制造或者钣金维修时都会用到焊接，特别是近年来，车身广泛采用承载式车身，车身薄焊接后变形严重，如何采取措施减小车架在焊接工序中发生的应力与应变，从而提高焊接工序的精度，有着十分重要的现实意义。本文主要阐述车架焊接变形的影响因素、控制措施和方法。

关键词 汽车车架；焊接变形；焊接应力；控制措施

中图分类号：TG444 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）08-0091-02

车架在焊接时，加热和冷却是不均匀的，所以，各个焊接接头热胀冷缩不均匀。而车架本身是一个整体，各个梁之间是互相制约，导致不能自由地伸长和缩短，这就使接头内产生不均匀的变形，所以在焊接过程中就会产生应力和变形。焊接应力和变形会影响其他零部件的装配，因此是车架设计和制造中必须考虑的问题。

1 焊接应力与焊接变形的产生原因

1）车架受热不均匀。在整个焊接过程中，车架焊缝受热是不均匀的，不均匀的加热引起车架不均匀的热胀冷缩，冷却后就使车架内部产生残余内应力。

2）焊缝的收缩。焊缝在冷却时，由液态结晶为固态时，体积会有一定的收缩。但是焊缝与母材是一个整体，焊缝金属不能自由地膨胀和收缩，所以引起整个车架的变形，同时在焊缝中引起残余焊接应力。

3）焊缝的刚性和拘束。焊缝的刚性和拘束作用，对车架变形和应力的产生也有很大的影响。刚性指焊件抵抗焊接变形的能力。拘束是焊件周围对车架变形的制约作用。刚性是车架本身的性能，它和车架的材料、车架横截面积以及尺寸的大小有关系，而拘束是一种客观条件，车架自身的刚性及受周围的拘束程度小，那么焊接变形就大，但是焊接应力反而小。

2 控制焊接变形的措施和矫正方法

2.1 控制残余变形的措施

1）选择合理的装配和焊接顺序，采用合理的装焊顺序，对于控制焊接残余变形尤为重要。通常，将车架组装后再进行焊接，对于不能采用先组装再焊接的车架，也要选择合适的装焊顺序，控制焊接变形。

2）选择合理的焊接顺序。①对于对称的车架，采用对称焊接方法，可以有效地避免焊接变形。②对于不对称的车架，先焊焊缝少的一侧，后焊焊缝多的一侧。

3）选择合理的焊接方法 焊缝较长时，从中间向两端焊接，或者采用分段跳焊法，使焊缝受热均匀，减少焊接变形。

4）采用反变形法，焊接前把焊件向变形方向的反方向预先弯一点，这种方法叫做反变形法，可以很有效地控制焊接变形。

5）刚性固定法，车架在焊接前，通过装配夹具把车架固定从而限制焊接是的热胀冷缩，待车架冷却后再放松，以便消除焊接变形。

6）合适的线能量，采用合适的线能量通过控制焊接温度来减少焊接变形。

7）散热法，在焊接时，采用强制冷却，使焊缝周围热量大大减少，减少热胀冷缩，控制焊接变形。

8）控制焊缝的数量，在设计焊接结构时，尽量避免不必要的焊缝，选用冲压件代替焊接，合理地选择肋板的形状，适当地安排肋板的位置，优化肋板数量，避免不必要的焊缝。

2.2 焊接残余变形的矫正方法

1）机械矫正法，运用专用机械对车架变形处给予拉伸、压缩或者弯曲。含碳量不高的车架，在焊接后可以直接进行机械矫正；对于合金钢的车架，在焊接后一定要进行去应力热处理后才可以进行机械矫正，防止损坏车架。

2）火焰加热法矫正，运用氧乙炔火焰对变形的车架进行合适的加热使之膨胀，但是周围未加热的部分温度较低，限制膨胀产生压缩变形，从而使变形得以矫正。①火焰加热的温度。火焰加热法矫正时加热温度应该控制在600℃-800℃，所以必须严格控制加热温度，材料的加热温度可以根据表面颜色的变化来识别，见表1钢材表面颜色与其相应温度。②火焰的加热方式。点状加热的加热区域为一圆圈状点，圆圈的直径一般不大于15 mm，点与点之间距离一般为50 mm-100 mm，通常采用线状加热火焰一般做直线移动或者稍微做横向摆动，加热线的宽度一般为0.5-2倍的板厚。三角形加热加热区域为三角形，适用于变形严重且刚性较大的车架，一般三角形的高度为板厚的0.2倍。

表1 钢材表面颜色与其相应温度

颜色 温度（℃） 颜色 温度（℃）

深褐红色 550-580 樱红色 770-800

褐红色 580-650 淡樱红色 800-830

暗樱红色 650-730 亮樱红色 830-900

深樱红色 730-770

3 减少和消除焊接残余应力方法

3.1 减少焊接残余应力的工艺措施

1）设计车架时，尽量采用刚性小的焊接接头，避免焊缝集中、十字接头和交叉焊缝。

2）尽可能减少焊缝的数量和尺寸，焊缝不要出现在应力集中区域。

3）采用合理的焊接顺序和方向。①首先焊接收缩大的焊缝，使焊缝能自由地收缩减少焊接应力。②先焊接短焊缝，后焊接长焊缝，壁厚不一先焊薄边，是焊缝具有较大的横向收缩余地。③对于工作时受力大的结构应先焊接。

4）反变形法，反变形法可以降低局部刚度，使焊缝冷却时能自由地收缩，在焊接是预先考虑收缩量，保证焊后车架达到所需的尺寸。

3）锤击焊缝区法，用小圆头锤对焊后的焊缝及焊缝周围进行匀速、适度的锤击，使焊缝区延展疏松，抵消一部分焊接应力。

4）预热法，焊接前对车架进行整体或者局部预热100℃-150℃，使得车架先产生热胀冷缩，这样焊接时就能有效防止焊接应力。

5）减少线能量，采用小电流、小坡口、较快的焊接速度，控制熔池的温度，对于薄板采用Co2气体保护焊，对于厚板采用多层多道焊。

3.2 消除焊接残余应力的方法

1）焊后热处理，利用金属在高温下屈服极限的降低，使内应力高的地方产生塑性流动，弹性变形减少，塑性变形逐渐增加而使应力降低。对焊后的车架进行去应力退火，可以消除80%的焊后残余应力。

2）机械拉伸法，通过机械拉伸产生塑性变形来释放焊接残余应力，这种方法能消除20%-50%的焊接残余应力。

3）温差拉伸法，在焊缝的两侧用氧乙炔火焰加热150℃-200℃后用冷水冷却，通过冷却收缩来拉伸焊缝，达到消除焊接残余应力的目的，通过这种方法可以消除50%-70%的焊接残余应力。

4）振动法，将焊件在一定频率下进行十分钟左右的振动处理，以振动的能量给工件施加附加应力，当附加应力与残余应力叠加后，达到或超过材料的屈服极限时，工件就会发生微观或宏观塑性变形，这样就降低和均匀化了残余应力，使焊件尺寸精度稳定，消除焊接应力。

4 结论

如何控制车架焊接变形和减少残余应力，是国内外专家关注的焦点之一，为此本论文的重点如何防止车架焊接应力和变形。主要内容介绍了造成焊接应力与变形的影响因素、产生的原因以及预防的措施等，焊接构件采用何种方法控制应力及变形，要进行具体分析。根据不同状况，选择合适的控制措施。从而达到既保证安全又经济实用的目的，以减少后期矫正的工作量，从而提高工作效率，减少焊接变形所带来的危害。

参考文献

[1]《焊接工艺与操作技巧丛书》编委会.焊接应力、变形的控制工艺与操作技巧[M].辽宁：辽宁科学技术出版社，2011.

[2]方洪渊.焊接结构学[M].机械工业出版社，2008：35-36.

[3]叶宏.金属材料与热处理[M].化学工业出版社，2009：

12-13.

[4]邹新升.汽车钣金[M].天津：天津科技出版社，2009：12.endprint

摘 要 2013年底我国汽车保有量约为1.37亿辆，汽车在装配制造或者钣金维修时都会用到焊接，特别是近年来，车身广泛采用承载式车身，车身薄焊接后变形严重，如何采取措施减小车架在焊接工序中发生的应力与应变，从而提高焊接工序的精度，有着十分重要的现实意义。本文主要阐述车架焊接变形的影响因素、控制措施和方法。

关键词 汽车车架；焊接变形；焊接应力；控制措施

中图分类号：TG444 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）08-0091-02

车架在焊接时，加热和冷却是不均匀的，所以，各个焊接接头热胀冷缩不均匀。而车架本身是一个整体，各个梁之间是互相制约，导致不能自由地伸长和缩短，这就使接头内产生不均匀的变形，所以在焊接过程中就会产生应力和变形。焊接应力和变形会影响其他零部件的装配，因此是车架设计和制造中必须考虑的问题。

1 焊接应力与焊接变形的产生原因

1）车架受热不均匀。在整个焊接过程中，车架焊缝受热是不均匀的，不均匀的加热引起车架不均匀的热胀冷缩，冷却后就使车架内部产生残余内应力。

2）焊缝的收缩。焊缝在冷却时，由液态结晶为固态时，体积会有一定的收缩。但是焊缝与母材是一个整体，焊缝金属不能自由地膨胀和收缩，所以引起整个车架的变形，同时在焊缝中引起残余焊接应力。

3）焊缝的刚性和拘束。焊缝的刚性和拘束作用，对车架变形和应力的产生也有很大的影响。刚性指焊件抵抗焊接变形的能力。拘束是焊件周围对车架变形的制约作用。刚性是车架本身的性能，它和车架的材料、车架横截面积以及尺寸的大小有关系，而拘束是一种客观条件，车架自身的刚性及受周围的拘束程度小，那么焊接变形就大，但是焊接应力反而小。

2 控制焊接变形的措施和矫正方法

2.1 控制残余变形的措施

1）选择合理的装配和焊接顺序，采用合理的装焊顺序，对于控制焊接残余变形尤为重要。通常，将车架组装后再进行焊接，对于不能采用先组装再焊接的车架，也要选择合适的装焊顺序，控制焊接变形。

2）选择合理的焊接顺序。①对于对称的车架，采用对称焊接方法，可以有效地避免焊接变形。②对于不对称的车架，先焊焊缝少的一侧，后焊焊缝多的一侧。

3）选择合理的焊接方法 焊缝较长时，从中间向两端焊接，或者采用分段跳焊法，使焊缝受热均匀，减少焊接变形。

4）采用反变形法，焊接前把焊件向变形方向的反方向预先弯一点，这种方法叫做反变形法，可以很有效地控制焊接变形。

5）刚性固定法，车架在焊接前，通过装配夹具把车架固定从而限制焊接是的热胀冷缩，待车架冷却后再放松，以便消除焊接变形。

6）合适的线能量，采用合适的线能量通过控制焊接温度来减少焊接变形。

7）散热法，在焊接时，采用强制冷却，使焊缝周围热量大大减少，减少热胀冷缩，控制焊接变形。

8）控制焊缝的数量，在设计焊接结构时，尽量避免不必要的焊缝，选用冲压件代替焊接，合理地选择肋板的形状，适当地安排肋板的位置，优化肋板数量，避免不必要的焊缝。

2.2 焊接残余变形的矫正方法

1）机械矫正法，运用专用机械对车架变形处给予拉伸、压缩或者弯曲。含碳量不高的车架，在焊接后可以直接进行机械矫正；对于合金钢的车架，在焊接后一定要进行去应力热处理后才可以进行机械矫正，防止损坏车架。

2）火焰加热法矫正，运用氧乙炔火焰对变形的车架进行合适的加热使之膨胀，但是周围未加热的部分温度较低，限制膨胀产生压缩变形，从而使变形得以矫正。①火焰加热的温度。火焰加热法矫正时加热温度应该控制在600℃-800℃，所以必须严格控制加热温度，材料的加热温度可以根据表面颜色的变化来识别，见表1钢材表面颜色与其相应温度。②火焰的加热方式。点状加热的加热区域为一圆圈状点，圆圈的直径一般不大于15 mm，点与点之间距离一般为50 mm-100 mm，通常采用线状加热火焰一般做直线移动或者稍微做横向摆动，加热线的宽度一般为0.5-2倍的板厚。三角形加热加热区域为三角形，适用于变形严重且刚性较大的车架，一般三角形的高度为板厚的0.2倍。

表1 钢材表面颜色与其相应温度

颜色 温度（℃） 颜色 温度（℃）

深褐红色 550-580 樱红色 770-800

褐红色 580-650 淡樱红色 800-830

暗樱红色 650-730 亮樱红色 830-900

深樱红色 730-770

3 减少和消除焊接残余应力方法

3.1 减少焊接残余应力的工艺措施

1）设计车架时，尽量采用刚性小的焊接接头，避免焊缝集中、十字接头和交叉焊缝。

2）尽可能减少焊缝的数量和尺寸，焊缝不要出现在应力集中区域。

3）采用合理的焊接顺序和方向。①首先焊接收缩大的焊缝，使焊缝能自由地收缩减少焊接应力。②先焊接短焊缝，后焊接长焊缝，壁厚不一先焊薄边，是焊缝具有较大的横向收缩余地。③对于工作时受力大的结构应先焊接。

4）反变形法，反变形法可以降低局部刚度，使焊缝冷却时能自由地收缩，在焊接是预先考虑收缩量，保证焊后车架达到所需的尺寸。

3）锤击焊缝区法，用小圆头锤对焊后的焊缝及焊缝周围进行匀速、适度的锤击，使焊缝区延展疏松，抵消一部分焊接应力。

4）预热法，焊接前对车架进行整体或者局部预热100℃-150℃，使得车架先产生热胀冷缩，这样焊接时就能有效防止焊接应力。

5）减少线能量，采用小电流、小坡口、较快的焊接速度，控制熔池的温度，对于薄板采用Co2气体保护焊，对于厚板采用多层多道焊。

3.2 消除焊接残余应力的方法

1）焊后热处理，利用金属在高温下屈服极限的降低，使内应力高的地方产生塑性流动，弹性变形减少，塑性变形逐渐增加而使应力降低。对焊后的车架进行去应力退火，可以消除80%的焊后残余应力。

2）机械拉伸法，通过机械拉伸产生塑性变形来释放焊接残余应力，这种方法能消除20%-50%的焊接残余应力。

3）温差拉伸法，在焊缝的两侧用氧乙炔火焰加热150℃-200℃后用冷水冷却，通过冷却收缩来拉伸焊缝，达到消除焊接残余应力的目的，通过这种方法可以消除50%-70%的焊接残余应力。

4）振动法，将焊件在一定频率下进行十分钟左右的振动处理，以振动的能量给工件施加附加应力，当附加应力与残余应力叠加后，达到或超过材料的屈服极限时，工件就会发生微观或宏观塑性变形，这样就降低和均匀化了残余应力，使焊件尺寸精度稳定，消除焊接应力。

4 结论

如何控制车架焊接变形和减少残余应力，是国内外专家关注的焦点之一，为此本论文的重点如何防止车架焊接应力和变形。主要内容介绍了造成焊接应力与变形的影响因素、产生的原因以及预防的措施等，焊接构件采用何种方法控制应力及变形，要进行具体分析。根据不同状况，选择合适的控制措施。从而达到既保证安全又经济实用的目的，以减少后期矫正的工作量，从而提高工作效率，减少焊接变形所带来的危害。

参考文献

[1]《焊接工艺与操作技巧丛书》编委会.焊接应力、变形的控制工艺与操作技巧[M].辽宁：辽宁科学技术出版社，2011.

[2]方洪渊.焊接结构学[M].机械工业出版社，2008：35-36.

[3]叶宏.金属材料与热处理[M].化学工业出版社，2009：

12-13.

[4]邹新升.汽车钣金[M].天津：天津科技出版社，2009：12.endprint