试论焊接变形的影响因素及预防措施

王星星

（江苏滕旋科技股份有限公司， 江苏 无锡 214112）

引言

目前，随着我国市场经济的不断发展，机械化水平日益提升，焊接作为我国工业生产与加工产业中的重要工艺，已被广泛应用于各种工件制造的流程之中。变形是现阶段我国焊接型工件发生频率较高的问题之一，尤其是发生在焊接操作的具体部位的变形。焊接变形不仅会造成工件的制造精度失真、破坏其外在形象，而且可能由于结构的不稳定性而影响工件的强度和承重能力，甚至形成安全隐患。一旦工件的焊接位置发生变形问题，应立即进行矫正，矫正所需耗费的时间与焊接工程难度成正比。因此，应深层次把握焊接变形并于焊接行为正式完成之前采取有效的预防措施，以避免焊接变形。

1 焊接变形的定义及分类

焊接变形是指当焊接行为实施过程中金属性工件形成不均衡的温度场域而导致其内应力超出了此金属材料所能承载的上限，焊接部位及相关区域产生的塑性变形现象。而当焊接操作结束后，温度下降至最初的均衡状态，金属工件内就会形成新的内应力，是由于温度下降至均匀状态后残存于金属工件之中的，因此亦可以称作残余应力，由残余应力所导致的焊接变形即为焊接残余变形。一般情况下，焊接变形可依据变形发生的方向或特点分为七种类型，即纵向收缩变形、横向收缩变形、挠曲变形、角变形、波浪变形、错边变形以及螺旋变形。其中：纵向收缩变形主要是指沿着焊接形成的缝隙方向发生的收缩与形状变化；挠曲变形则主要是指金属工件在发生焊接操作后形成的挠曲现象，是由焊缝的纵向收缩引起，或由横向收缩引起。

2 焊接变形的影响因素

2.1 材料因素

材料是影响焊接变形的最基础因素之一。材料不仅包含焊接材料，而且也涉及到母材，不同材料所具有的热物理性能参数和力学性能参数均会对金属构件的焊接操作过程与焊接效果形成关键性的作用。首先，对于焊接过程所涉及的各种材料的热物理性能参数而言，对焊接行为所造成的影响主要通过热传导系数来体现，通常情况下，热传导系数值愈小，温度的不均衡性与差别则愈大，焊接位置所可能形成的变形就会愈明显。其次，对于焊接过程所涉及的各种材料的力学性能来说，焊接操作的影响过程较为复杂，最突出的因素则是热膨胀系数，焊接变形产生的概率以及严重程度与热膨胀系数值成正比例关系。同时，材料面对高温煅烧时的最高屈服值与弹性模量等也会在一定程度上影响焊接变形。

2.2 结构因素

除却材料因素之外，焊接结构的方案设计与具体形式亦是造成焊接变形的重要原因，且具有较强的关键性与复杂性。结构因素对焊接变形的影响过程可总结为焊接变形发生的概率与严重程度会随着焊接结构的拘束度的增加而不断降低。通常来说，焊接行为的具体操作过程中，工件自身所固有的拘束度并不是一尘不变的，而是时刻变化的，工件在不断调整自身拘束度的同时，亦受到外部拘束度的作用。焊接结构所形成的拘束度是影响焊接质量与焊接变形的最关键因素，其拘束度的变化与焊接结构的设计复杂性成正比例关系。因此，焊接方案设计人员应在勾画焊接部位的构造时综合考虑各种因素，同时选取适当的筋板或加强板等，以强化焊接结构的刚性与稳定性。

2.3 工艺因素

焊接工艺是指焊接操作过程所使用的各种焊接技术，焊接工艺的恰当与否、精准与否可直接影响到焊接操作和焊接变形的发生。具体来说，影响焊接变形的工艺因素主要包含焊接方法、焊接热输入量、工件结构的定位方法、不同材料的焊接顺序以及选取的焊接胎架类型等。其中，不同材料的焊接顺序最为关键，通常，焊接顺序会在很大程度上直接决定着金属工件内残余应力的分布情况及其具体状态以及焊接变形问题形成的可能性。

3 焊接变形的有效预防错施

3.1 设计预防措施

焊接操作的具体方案设计对于焊接结构、焊接过程使用的施工技术、焊接顺序等都具有决定性的影响，因此，焊接操作的设计环节是预防焊接变形发生的重要环节。首先，根据工件的结构、性质与应用情况等选取恰当的焊缝大小与形式。焊缝的尺寸大小不仅决定着焊接操作的具体任务量，且对于焊接变形亦具有重要影响，焊缝尺寸与焊接操作的具体任务量、焊接变形等存在着正比例关系。由此可以看出，若焊接结构的稳定性和承重性已达到应用要求，结构设计时可不断降低焊缝尺寸。其次，最大程度上避免不必要的焊缝，降低焊接操作过程中的焊缝数量。若想达到上述目标，在设计焊接结构时，必须采用恰当的筋板，并将其安置在最适合的区域，继而严格控制焊接缝隙的数量，降低发生变形的可能性。最后，统筹兼顾整个焊接结构，恰当设置焊缝位置，即焊接的缝隙能够与焊接截面的中性轴呈对称状态或无限靠近，有效避免挠曲变形。

3.2 工艺预防措施

工艺预防措施，即在焊接操作的具体过程中所采取的各种技术性预防方法，主要包含焊接操作前与焊接操作过程中实施的预防措施。

1）焊接操作前的预防措施。比较典型且防范效果较佳的预防措施包含预变形法、预拉伸法和刚性固定组装法。预变形法，亦可称之为反变形法，即在焊接操作实施之前根据工件结构和焊接发生部位预估焊接变形可能形成的方向与严重程度，在待焊工件装配时产生与焊接残余变形大小相当、方向相反的预变形量，焊后焊接残余变形抵消了预变形量，最终促使工件恢复到最初的设计要求。预拉伸法通常被应用于薄板平面构件，焊接是在薄板有预张力或预先热膨胀量的情况下进行的，待焊接完成后薄板恢复初始状态，可有效降低残余应力，控制焊接变形。刚性固定组装法，顾名思义，即选取结构形态最为相符的夹具或刚性胎具以准确固定被焊构件，避免其角变形与弯曲变形。

2）焊接操作过程中的预防措施。即技术人员需选用最恰当的焊接方法、规范参数、焊接顺序及随焊碾压、跟踪激冷等方法。随焊碾压、跟踪激冷等能够有效降低残余应力、减小焊接变形。焊接顺序对焊接残余应力和变形的产生影响较大，在采用不同的焊接顺序时，可改变残余应力的分布规律，控制焊接变形。

4 结语

焊接变形作为我国现阶段工业生产与各金属构件所存在的普遍性问题之一，其危害与影响较为严重。一方面，焊接变形导致工件制造精度失真、破坏其外在形象，另一方面，亦可能影响结构的稳定性、强度和承重能力，甚至形成安全隐患。因此，焊接施工技术人员在设计焊接结构前应综合考虑，分析可能影响焊接质量与焊接变形的多种因素，针对性地采取预防措施，减小焊接变形发生的可能性。

参考文献

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