1 焊接變形的定義

在焊接過(guò)程中，焊縫金屬和基材的冷熱循環(huán)所引起的膨脹和收縮形成焊接變形。焊接時(shí)，沿同一邊持續(xù)焊接引起的變形比兩邊交叉焊接的變形大。在焊接引起的冷熱循環(huán)中，很多因素影響金屬的收縮并導(dǎo)致變形，如金屬在受熱時(shí)其物理、機(jī)械性能發(fā)生變化。當(dāng)熱膨脹增加、熱量增大時(shí)(見(jiàn)圖1)，焊接區(qū)域溫度升高，焊接區(qū)域鋼板的彎曲強(qiáng)度、彈性、熱導(dǎo)性能將降低。

2 產(chǎn)生焊接變形的原因

在金屬冷熱變化過(guò)程中，應(yīng)了解怎樣產(chǎn)生變形、為什么產(chǎn)生變形。圖2為一組鋼板冷熱變化時(shí)產(chǎn)生的變形示例。均勻加熱鋼板時(shí)，向各個(gè)方向均勻膨脹，見(jiàn)圖2a。當(dāng)鋼板冷卻至室溫時(shí)，也是均勻收縮并恢復(fù)至原始尺寸。如果鋼板在加熱時(shí)給予剛性約束(見(jiàn)圖2b)，兩個(gè)側(cè)邊就不會(huì)產(chǎn)生變形。但是，加熱時(shí)鋼板一定會(huì)膨脹，所以只能在無(wú)約束的垂直方向膨脹(厚度方向)，從而使鋼板變得更厚。同樣，當(dāng)鋼板溫度降至室溫時(shí)，也將在各方向上收縮(見(jiàn)圖2c)，這樣，工件就發(fā)生了永久性彎曲或扭曲變形。

在焊接受熱過(guò)程中，膨脹和收縮作用于焊接金屬和基材上，焊縫和基材因局部被加熱而形成很大的溫度梯度。冷卻時(shí)，焊接金屬試圖正常收縮至室溫時(shí)的體積。但是，熔化的焊接金屬因基材而受到約束，焊縫金屬和基材之間就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。焊縫附近區(qū)域因此產(chǎn)生應(yīng)力集中而伸展或彎曲或變薄，這些超過(guò)焊縫金屬屈服應(yīng)力的集中釋放就形成了永久變形。

當(dāng)焊接溫度接近室溫，整個(gè)基材受到約束而無(wú)法變形，金屬的伸縮應(yīng)力接近屈服應(yīng)力。如果約束(夾具固定工件或反收縮力)取消，殘余應(yīng)力釋放，基材將發(fā)生遷移，焊接工件將產(chǎn)生變形。金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)因焊接不均勻的加熱和冷卻產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力叫焊接應(yīng)力，由焊接應(yīng)力造成的變形叫焊接變形。不同的焊接工藝引起的焊接變形量不同。

3 影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素和變形的種類

(1) 影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素。

a.焊縫在結(jié)構(gòu)中的位置；b.結(jié)構(gòu)剛性的大小；c.裝配和焊接順序；d.焊接規(guī)范的選擇。

(2)焊接變形的種類。

a.縱向收縮和橫向收縮(在焊縫長(zhǎng)度方向上的收縮稱縱向收縮，在垂直于焊縫縱向的收縮稱橫向收縮)；b.角變形；c.彎曲變形；d.波浪變形；e.扭曲變形。

(3)從焊接工藝上分析，影響焊接收縮量的因素。

a.采用焊條電弧焊焊接長(zhǎng)焊縫時(shí)，一般采用焊前沿焊縫進(jìn)行點(diǎn)固焊，有利于減小焊接變形，同時(shí)也有利于減小焊接內(nèi)應(yīng)力。

b.備料情況和裝配質(zhì)量對(duì)焊接變形也會(huì)產(chǎn)生影響。

c.焊接工藝中影響焊縫收縮量的因素有:①線膨脹系數(shù)大的金屬材料其焊接變形大，反之焊接變形小。②焊縫的縱向收縮量隨著焊縫長(zhǎng)度的增加而士曾力口。③角焊縫的橫向收縮比對(duì)接焊縫的橫向收縮小。④間斷焊縫比連續(xù)焊縫的收縮量小。⑤多層焊時(shí)，第一層引起的收縮量最大，以后各層逐漸減小。⑥在夾具固定條件下的焊接收縮量比沒(méi)有夾具固定的焊接收縮量小，減少約40%-70%；

4  控制收縮—盡可能減少變形

預(yù)防和減少焊接變形的方法必須考慮焊接工藝設(shè)計(jì)以及在焊接時(shí)克服冷熱循環(huán)的變化。收縮無(wú)法消除，但可以控制。減少收縮變形的途徑有以下幾方面。

4.1勿過(guò)量焊接

越多的金屬填充在焊接點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生較大的變形力。正確制定焊縫尺寸，不僅能得到較小的焊接變形，還可節(jié)省焊材和時(shí)間。填充焊縫的焊接金屬量應(yīng)最小，焊縫應(yīng)呈平坦或微凸形，過(guò)量的焊接金屬不會(huì)增加強(qiáng)度，反而會(huì)增加收縮力，增加焊接變形(見(jiàn)圖3)。

通常，焊接變形不作為“問(wèn)題”時(shí)，選擇常規(guī)的焊接接頭最經(jīng)濟(jì)；變形量較大時(shí)，則應(yīng)選擇接頭形式以平衡焊接應(yīng)力和焊接金屬填充量(見(jiàn)圖4)。

4.2 間斷焊縫

另一種減少焊縫填充量的途徑是較多地采用間斷焊接(見(jiàn)圖5)。如焊接加強(qiáng)板，間斷焊接可減少75%的焊縫填充量，同時(shí)也能保證所需強(qiáng)度。

4.3 減少焊道

采用粗焊絲、少焊道焊接比采用細(xì)焊絲、多焊道焊接變形小(見(jiàn)圖6)。多焊道時(shí)每一焊道引起的收縮累計(jì)增加了焊縫總的收縮。由圖6可知，少焊道、粗焊條焊接工藝比多焊道、細(xì)焊條焊接的工藝效果更好。

為了減少焊接變形和殘余應(yīng)力的影響，設(shè)計(jì)和焊裝工件時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)

(1）不進(jìn)行過(guò)量焊接；

(2}控制好工件的定位；

(3)盡可能采用間斷焊接，但應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求；

(4)盡可能采用小的焊腳尺寸；

(5)對(duì)于開(kāi)坡口焊接，應(yīng)使接頭的焊接量最小，并考慮雙邊坡口替代單邊坡口接頭；

(6)盡可能采用多層多焊道焊替代單層雙邊焊交替焊接。在工件中和軸處開(kāi)雙面坡口焊接，采用多層焊，并確定雙面焊接順序；

(7)采用多層少焊道焊接；

(8)采用低熱輸入焊接工藝，意味著較高的熔敷率和較快的焊接速度；

(9)采用變位機(jī)使工件處于船形焊位置。船形焊位置可使用大直徑的焊絲和高熔敷率的焊接工藝；

(10)盡可能在工件的中和軸設(shè)置焊縫，并對(duì)稱施焊；

(11)盡可能地通過(guò)焊接順序和焊接定位使焊接熱量均勻擴(kuò)散；

(12)向工件的無(wú)約束方向焊接；

(13)使用夾具、工裝和定位板進(jìn)行調(diào)整、定位。

(14)向收縮的相反方向預(yù)彎工件或預(yù)置焊縫接頭。

(15)按序列分件焊裝和總焊裝，可使焊接圍繞中和軸一直保持平衡。