浅析焊接变形的影响因素与控制方法
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作者: 张超
[摘 要] 我们在焊接过程中经常因为急剧的非平衡加热及冷却,不可避免地发生焊接残存变形。针对钢结构工程焊接手艺的重点和难点,按照多年的工程实践经验,谈一下焊接变形的影响因素和控制方法
[关键词] 平衡加热及冷却；残存变形；影响因素；控制方法
由于焊接连接具有其他连接方法无法具备的结构特点，并且操作实施灵活，经济效益好，因此焊接连接的工艺技术方法得到人们的高度重视，焊接连接已成为现代金属连接技术领域中发展迅猛的一种金属加工工艺技术。但是焊接连接的工艺技术特点，又使得焊接结构容易发生变形问题。在焊接结构中，这是一种不可避免的缺陷。控制、减少和矫正焊接结构在生产、制造和安装施工中产生变形，是保证焊接变形程度符合一定的技术要求的最基本、最主要的工艺手段和途径；也是从事焊接结构生产、制造和安装施工的广大参与者，尤其是工程技术人员，对焊接结构的制造、施工工艺技术文件设计、编制中的一项不可缺少的基本构成部分；还是焊接结构生产、制造和安装、施工的管理者工作中不可或缺的基本工作任务。
一、影响变形的因素
1.焊接电源：可以采用能量更为集中的热源，这样相对热输入减小，比如熔化极焊接优于手工电弧焊，热丝TIG焊优于常规熔化极焊接，激光、等离子、电子束焊接都是采用能量集中的热源实现小变形的焊接方法。
2.焊接顺序：采用合适的焊接顺序，如对称焊等都可以减小焊接变形。
3.焊接反变形：在焊接前预计焊后会发生何种变形，焊前再起相反方向余量一定变形，来消弱焊接变形。
4.焊接时的强力拘束。
5.焊接过程采用随焊锤击，或薄板预置拉应力都可以有效控制焊接变形。
6.焊后可以采用应力退火，消除或减少焊接变形（一般来说焊接变形是无法完全消除的，只是相对而言）。
7.当然和焊接材料有直接关系，线膨胀系数越大，焊接时也越容易发生较大的变形。所以也可以根据要求选择合适的焊材，改变焊接接头的组织，从而改变焊接变形（该方法基本不用）。
①材料对于焊接变形的影响不仅和焊接材料有关,而且和母材也有关系,一般热传导系数越小,温度梯度越大,焊接变形越显著。力学性能对焊接变形的影响比较复杂,热膨胀系数的影响最为明显,随着热膨胀系数的增加焊接变形相应增加。同时材料在高温区的屈服极限和弹性模量及其随温度的变化率也起着十分重要的作用,一般情况下,随着弹性模量的增大,焊接变形随之减少而较高的屈服极限会引起较高的残余应力,焊接结构存储的变形能量也会因此而增大,从而可能促使脆性断裂,此外,由于塑性应变较小且塑性区范围不大,因而焊接变形得以减少。
②焊接结构的设计对焊接变形的影响最关键,也是最复杂的因素。其总体原则是随拘束度的增加,焊接残余应力增加,而焊接变形则相应减少。结构在焊接变形过程中,工件本身的拘束度是不断变化着的,因此自身为变拘束结构,同时还受到外加拘束的影响。一般情况下复杂结构自身的拘束作用在焊接过程中占据主导地位,而结构本身在焊接过程中的拘束度变化情况随结构复杂程度的增加而增加,在设计焊接结构时,常需要采用筋板或加强板来提高结构的稳定性和刚性,这样做不但增加了装配和焊接工作量,而且在某些区域,如筋板、加强板等,拘束度发生较大的变化,给焊接变形分析与控制带来了一定的难度。因此,在结构设计时针对结构板的厚度及筋板或加强筋的位置数量等进行优化,对减小焊接变形有着十分重要的作用。
③焊接工艺对焊接变形的影响方面很多,例如焊接方法、焊接输入电流电压量、构件的定位或固定方法、焊接顺序、焊接胎架及夹具的应用等。焊接顺序是影响焊接结构变形的主要因素之一，安排焊接顺序时应注意下列原则：尽量采用对称焊接；对某些焊缝布置不对称的结构，应先焊缝少的一侧；依据不同焊接顺序的特点，以焊接程序控制焊接变形量。
二、控制变形的方法
1.刚性固定法：刚性固定法减小变形很有效，且焊接时不必过分考虑焊接顺序。缺点是有些大件不一固定，且焊后撤除固定后，焊件还有少许变形和较大的残余应力。这种方法适用于焊接厚度小于6mm及韧性较好的薄壁材料。如果与反变形法配合使用则效果更好。对于形状复杂，尺寸不大，又是成批生产的焊件，可设计一个能够转动的专用焊接胎具，既可以防止变形，又能提高生产率。当工作较大，数量又不多时，可在容易发生变形的部位临时焊上一些支撑或拉杆，增加工件的刚性，也能有效的减少焊接变形。
2.散热法：散热法又称强迫冷却法，即将焊接处的热量速度散走，使焊缝附近的金属受热面大大减少，达到减小焊接变形的目的。常用于表面推焊和焊补。用紫铜作散热垫，有的还钻孔通冷却水，这些垫板越靠近焊缝效果越好。但散热法比较麻烦。
3.焊接过程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接规范参数,选择合理的焊接顺序以及采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施。选择线能量较低的焊接方法以及合理地控制焊接规范参数可以有效地防止焊接变形。采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施可以降低残余应力和减小焊接变形。采用随焊两侧加热,横向应变、纵向应变和最大剪切应变的分布更加均匀,变化更加平缓,起到减小焊接残余应力和变形的作用。随焊碾压法由于设备复杂、使用不便等原因,在生产应用中受到一定的限制,但该方法在提高焊接变形等方面具有理想的效果。随焊激冷法能够显著地降低残余应力和减少焊接变形。
4.当构件焊接后,只能通过矫正措施来减小或消除已发生的残余变形。焊后矫正措施主要分为加热矫正法和机械矫正法。加热矫正法又分为整体加热和局部加热。整体热矫正是指将整体构件加热至锻造温度以上再进行矫正的方法,可用以消除较大的形状偏差。但是焊后整体加热容易引起冶金方面的副作用,限制了该方法的进一步推广及应用。局部热矫正多采用火焰对焊接构件局部加热,在高温处,材料的热膨胀受到构件本身刚性制约,产生局部压缩塑性变形,冷却后收缩,抵消了焊后部位的伸长变形,达到矫正目的,火焰加热法采用一般的气焊焊炬,不需要专门的设备,方法简便灵活,因此在生产上广为应用。
此外,还有利用机械力或冲击能等进行焊接变形矫正,包括静力加压矫直法、焊缝滚压法、锤击法等。
三、结束语
综合分析上述焊接变形的影响因素与减小焊接变形的措施,基本了解焊接变形的原因及变形的种类,针对焊接变形的原因和控制措施从焊接工艺等方面进行改进,有效防止减少焊接变形所带来的危害。
参 考 文 献
[1]罗树方.焊接手册――焊接方法及设备:机械工业出版社,2001.
[2]周万盛.焊接手册――材料的焊接北京:机械工业出版社,2001.
[3]霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定[M].北京:机械工业出版社,2000.
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