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增加。

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。

注意：采用粗焊丝、少焊道焊接或细焊丝、多焊道焊接工艺依据材质而定，一般低碳钢、
16Mn 等材质适用粗焊丝、少焊道焊接，不锈钢、高碳钢等材质适用细焊丝、多焊道焊接。

4．4 焊缝设置在中和轴
提供一个小的杠杆作用使收缩力把钢板向外拉，起到调整作用，使得焊接变形最小(见图7)。

图7 靠近中和轴焊接工件的设计和焊接顺序可有效控制焊接变形。

4．5 焊缝为中和轴的对称焊接
焊缝为中和轴的对称焊接能有效减少工件的焊接变形，抵消收缩力(见图8)。

此例中焊接的
结构设计和合适的焊接顺序也是重要的因素。

图
8 中和轴的对称焊接
4．6 采用逆向分段焊接
逆向分段焊接技术是指总焊接方向从左到右，而分段焊方向每段从右到左(见图9)。

每个焊段分割进行，受热部分膨胀，分段从A 端焊向B 端。

但是，膨胀逆向沿着两块钢板的外沿CD 扩散。

这种分段焊接取决于第一焊段的设置。

好的焊缝分段焊接因前一焊段的刚性约束使其膨胀非常小。

逆向分段焊接技术的在自动焊接中的应用受到制约。

图9 逆向焊接技术
4．7 反变形技术
焊接前使零件预先向焊接变形的相反方向弯曲或倾斜放置(仰焊或立焊除外)，见图10。

反变形的预置量需经过试验确定。

预弯、预置或预拱焊接零件(见图11)是利用反向机械力，抵消焊接应力的一种简单方法。

当工件预置时，产生使工件与焊缝收缩应力相反的变形。

焊前的预置变形与焊后变形相互抵消，使焊接工件成为理想平面。

另一个常用的平衡收缩力的方法是将同样的焊接工件相对放置，并将其夹紧(见图12)。

预弯也可采用此种方法，在夹紧前，将楔子放置在工件的适当位置。

特殊的重型焊接工件由于自身刚性或零件相互位置能产生所需的平衡力，如没有产生这些平衡力，就需利用其他方法来平衡焊接材料的收缩力，以达到相互抵消的目的。

平衡力可以是其他收缩力、利用工装夹具形成机械约束力、部件装焊顺序排列的约束力、重力形成的约束力。

4．8 焊接顺序
根据工件的结构形式确定合理的组装顺序，使工件结构在同一位置收缩。

如图13a 所示，在工件中和轴处开双面坡口，采用多层焊接，并确定双面焊接顺序。

如图13b 所示，在角焊缝中采用间断焊接，第1 道焊接中的收缩由第2 道焊接中的收缩平衡。

工装夹具可在所需的位置固定工件，增加刚性，减小焊接变形。

这一方式广泛用于小工件或小型组件的焊接，由于增大了焊接应力，只适用于塑性较好的低碳钢结构。

4．9 焊后去除收缩力
敲击是抵消焊缝收缩力的一种方法，如同焊缝冷却。

敲击将使焊缝延伸，变得更薄，从而消除应力(弹性变形)。

但是，使用这种方法必须注意，焊缝根部不能敲击，敲击时可能产生裂纹。

通常，敲击也不能用在盖面焊道上。

因为，盖面层可能有焊缝裂纹，影响焊缝检测，产生硬化效果。

所以，技术的利用是有限的，甚至有实例要求在焊道敲击中仅在多层焊道内(打底焊和盖面焊除外)敲击以解决变形或裂纹问题。

热处理也是去除收缩力的方法之一，控制工件的高温和冷却；有时同样工件背靠背夹装、焊接，以这种校直条件来消除应力，使工件残余应力最小。

华云振动时效设备消除焊接应力
豪克能专用焊接应力消除设备消除应力
4．10 减少焊接时间
焊接时产生受热和冷却，传输热量时也需要时间。

因此，时间因素也影响变形。

通常，希望体积大的工件受热膨胀之前，焊接尽快完成。

焊接工艺，如焊条的类型和尺寸、焊接电流、焊接速度等影响焊接工件收缩和变形的程度。

机械化焊接设备的使用减少了焊接时间和受热引起的变形量。

例如，一给定焊缝尺寸的厚板确定焊接工艺参数：焊接电流175 A、焊接电压25 V、焊接速度7．5 cm／min、焊接线能量输入387 500 J；同样尺寸的焊缝也可确定这样的焊接工艺参数：焊接电流310 A、焊接电压35 V、焊接速度20 cm／min，焊接线能量输入81 400 J。

高热输入的焊接工艺通常导致焊缝产生更大的变形。

事实上焊缝尺寸决定了热输入。

通常，角焊缝尺寸(英寸)等于热输入(kJ／in)的平方根除以500。

5 减少焊接变形的其他方法
5．1 水冷块
很多技术都可用来控制特殊焊接工件的焊接变形。

例如，在薄板焊接中，采用水冷块可带走
焊接工件的热量(见图14)。

采用铜焊或锡焊将铜管焊接到铜制夹具，通过水管进行循环冷却，以减少焊接变形。

5．2 楔形块定位板
“定位板”是钢板对焊时的一种有效控制焊接变形的技术，如图15 所示。

定位板的一端焊
在工件的一块板上，另一端将楔形块楔入压板，甚至可采用多个定位板排列，以保持焊接时
对焊接钢板的定位、固定。

图15 多种强制排列可控制
对接焊变形
5．3 消除热应力
除特殊情况外，采用加热来消除应力不是正确的方法，应在工件焊接完成前进行预防或减少
焊接变形。

采用华云振动时效设备消除焊接应力高效低能耗成本低
采用豪克能专用焊接应力消除设备应力消除80以上
6 结论
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；
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(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。

来源：电焊机
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