摘要：焊接变形是影响焊接工艺质量的重要因素之一。本文首先通过分析焊接钢板产生变形的主要过程和原理，总结出了影响焊接变形的诸多因素，然后对焊接应力进行分析探讨，最后从设计和工艺两个方面提出了预防和控制措施。
关键词：焊接变形；焊接钢板；应力分析；焊接工艺
引言
由于焊接结构能够大大简化生产工艺，降低了生产成本，因此，焊接技术取得了很大的进展。许多尖端技术如船舶建造、航空航天、核动力等如果不采用焊接结构，实际上是不可能实现的。焊接技术在现代大型钢架结构的建筑中应用也越来越广泛。焊接结构虽然有很多用别的工艺方法难以达到的优点，但是焊接本身也存在很突出的问题，集中体现在应力集中、性能不均匀。应力集中对结构的脆性断裂和疲劳有很大的影响。从断裂力学角度来分析，应力集中区域内的裂纹的应力强度因子要比在同样的外在条件下平滑构件上尺寸相同的裂纹的应力强度因子大。
1 焊接变形成因分析
通常在焊接时，由于焊接热源的加热和焊接热过程的特点，焊件受到不均匀的加热，从而使得被焊金属受热膨胀及冷却收缩的程度不同，在焊件内部就产生了应力和变形。焊接应力是造成裂缝的最主要原因，它会大大降低焊接结构的承载能力和使用寿命；焊接变形则造成焊件尺寸、形状的变化，使之在焊后要进行大量复杂的矫正工作，甚至使焊件报废。
1.1 焊接变形产生的原因
一般焊接过程就是在焊丝（条）与母材之间产生焊弧，同时产生的热量把焊丝（条）与母材熔化连接的过程。在焊缝附近进行局部加热，会沿板的长度、宽度、厚度方向形成温度分布，此时焊缝区域会因热而膨胀，但邻近区域温度相对较低，所以会抑制材料的热膨胀。在此过程中会随着焊接构件的弹性应变，引发压缩应力，当应力超过弹性极限时，会产生压缩性塑性应变。而此压缩性塑性应变会继续增加直到焊接构件达到最高温度。反之，焊接构件温度下降时，构件收缩，邻近区域则抑制收缩，此时焊接构件会受拉伸应力的作用，应力超过弹性极限时，会产生拉伸性塑性应变。最终的残余塑性应变由在温度上升时产生的压缩性塑性应变与在温度下降时产生的拉伸性塑性应变的和决定，而这个就是焊接固有应变。
1.2 影响焊接变形的因素
影响焊接变形的因素主要包括以下几个方面：
?焊缝在结构中布置的不对称，是造成焊接结构弯曲变形的主要因素；
?焊接结构的刚性和几何尺寸；
?焊接结构的装配顺序；
?影响焊接变形的因素还包括焊接工艺、焊接方法、材料特性等。
2 焊接变形的应力分析
2.1 焊接变形的应力分析
2.1.1 纵向焊接应力
纵向焊接应力就是平行于焊缝长度方向的应力，如图7。在施焊时，钢板中会产生不均匀的温度场，从而产生不均匀的膨胀。如果钢板的纵向纤维都能自由伸缩，则纤维的纵向伸长也将按温度分布曲线的规律变化。由于钢板是整体的，原平面截面变形后仍保持平面。故施焊时，整个平截面只能产生均匀的伸长，在靠近焊缝一侧高温区受到热压力作用，施焊完毕，焊件自然冷却，钢板截面开始收缩，在近焊缝区段产生拉应力，在稍远区段产生压应力。
2.1.2 横向焊接应力
横向焊接应力的方向与焊缝长度垂直，如图8。产生横向焊接应力的原因可分为焊缝的纵向收缩和横向收缩两个方面。在施焊时，由于焊缝的纵向收缩，两块对焊钢板有相向弯曲的趋势，但焊缝已将其连成整体，这样使得两块板沿焊缝长度方向中部产生横向拉应力，两端产生压应力。冷却时，由于焊缝先后冷却时间不同，先焊的先冷却凝固，存在一定强度，阻止了后焊的焊缝在横向的自由膨胀，使其产生横向收缩变形。后焊的焊缝冷却时，横向收缩受到阻止，而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力。
图8 横向应力沿板宽上的分布
3 防止措施
3.1结构设计
3.1.1合理地选择焊缝的尺寸和形式
焊缝尺寸直接关系到焊接工作量和焊接变形的大小。焊缝尺寸大，不但焊接量大，而且焊接变形也大。因此，在保证结构的承载能力的条件下，设计时应该尽量采用较小的焊缝尺寸。过去，由于设计人员对焊接了解不够，对焊缝信心不足，存在着一种片面的加大焊缝尺寸的错误倾向，对控制焊接变形不利。不合理地加大焊缝尺寸，在角焊缝上表现得更为突出。角焊缝在许多情况下往往受力不大。例如在相当多的结构上筋板与腹板间的焊缝，并不承受很大的应力，没有必要采用大尺寸的焊缝，但并不是说焊缝越小越好，这有一个工艺上的可能性问题。因为焊接尺寸太小的焊缝，冷却速度过大，容易产生一系列焊接缺陷，如裂纹、热影响区硬度过高等等。因此，应该在保证焊接质量的前提下，按着板的厚度来选取工艺上可能的最小焊缝尺寸。对于受力较大的丁字接头和十字接头，在保证相同的强度条件下，采用开坡口的焊缝可以比一般角焊缝减少焊缝金属，对减少变形有利。
3.1.2合理地安排焊缝的位置
安排焊缝尽可能对称于截面中心轴，或者使焊缝靠近中心轴，以减少结构总的弯曲变形。焊缝集中于中心轴一侧，弯曲变形大，所以尽量安排对称。
由于横向收缩通常比纵向收缩显著，因此应尽可能将焊缝布置在平行于要求焊接变形较小的方向。当采用分部件装配和焊接时，设计时应预先考虑结构分部件的可能性，并应使部件总装成结构时的焊接工作最小，减少总装时的焊接变形。
在设计薄板结构时，要考虑不应由于焊接骨架而失稳。为了提高薄板结构的稳定性和降低波浪变形，应当选择合理的平板厚度，减少骨架间距并降低骨架焊缝的焊脚。
设计结构时应考虑到采用简单装配焊接胎夹具的可能。尽量避免设计曲线型结构。采用平面结构可使固定状态下的焊接设备比较简单，对控制变形比较有利。
3.2工艺方面
3.2.1反变形法
这是最常用的方法，事先估计好结构变形的大小和方向，然后在装配时给予一个相反方向的变形与焊接变形相抵消，使焊后构件保持设计的要求。例如，为了防止对接接头的角变形，可以预先将焊接坡口处垫高；为防止工字梁的翼板产生焊接角变形，可以将翼板预先反向压弯，或者在焊接时加外力使之向反方向变形，但是这种方法，在加力处消除变形的效果较好，远离加外力处则较差，易使翼板边缘呈波浪形。在薄壳结构上，有时需在壳体上焊接支承座之类零件，焊后壳体往往产生塌陷，影响结构尺寸的精确度。为了防止焊后支承座的塌陷，可以在焊前将支承座周围的壳壁向外顶出，然后再进行焊接。这样不但可以防止壳体变形，而且可以减少焊接内应力。
3.2.2刚性固定法
刚性大的构件焊后变形一般都较小，如果在焊接前加强焊件的刚性，那么焊后的变形可以减小。固定的方法很多，有的用简单的夹具支撑，有的采用专用的胎具，有的是临时点固在刚性工作平台上，有的甚至利用焊件本身去构成刚性较大的组合体。刚性固定法对减少变形很有效，且焊接时不必过分考虑焊接顺序。缺点是有些大件不易固定且焊后撤除固定后焊件还有少许变形。如果与反变形法配合使用则效果更好。
3.2.3合理地选择焊接方法和规范
选用线能量较低的焊接方法，可以有效地防止焊接变形。焊缝不对称的细长构件有时可以通过选用适当的线能量，而不用采用任何反变形或夹具克服挠曲变形。如果在焊接时，没有条件采用线能量较小的焊接方法，又不能进一步降低规范，则可以采用直接水冷，或采用铜冷却块来限制和缩小焊接热场的分布，达到减小焊接变形的目的。焊接不对称的构件，通过选用不同的焊接参数来控制和调节弯曲变形。
4 结束语
本文通过对焊接变形的种类、影响因素进行归纳，总结出焊接变形产生的直接原因是应力分布不均。对焊接应力进行分析后，总结出焊接变形的主要预防措施：在结构设计上，合理地选择焊缝的尺寸和形式，尽可能减少不必要的焊缝，合理地安排焊缝的位置；在焊接工艺上，主要采取反变形法、刚性固定法，并合理选择焊接方法、规范以及装配焊接顺序。本文的归纳对焊接工艺的发展有一定的借鉴作用。
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论文作者:李超
论文发表刊物:《防护工程》2019年第3期
论文发表时间:2019/5/24
标签：应力论文; 结构论文; 横向论文; 尺寸论文; 构件论文; 应变论文; 钢板论文; 《防护工程》2019年第3期论文;