黃國(guó)鋒

摘要：焊接是機(jī)械產(chǎn)品加工制造過(guò)程中的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，但在焊接過(guò)程中由于難以避免的焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生，直接影響著焊接工件的尺寸精度、材質(zhì)強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性以及其他各項(xiàng)工藝性能。因此，如何有效防范和控制焊接變形產(chǎn)生，最大限度地降低應(yīng)力產(chǎn)生與變形，從而有效地提高機(jī)械設(shè)備的制造質(zhì)量，提升其使用的安全可靠性，成為一個(gè)值得思考的話題。

關(guān)鍵詞：焊接變形；影響因素；控制工藝

中圖分類號(hào)：TG441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）12-0047-02

1 對(duì)焊接應(yīng)力和變形的釋義

焊接是通過(guò)加熱、加壓，或兩者并用，使兩工件產(chǎn)生原子間結(jié)合的加工工藝和聯(lián)接方式。焊接應(yīng)用廣泛，既可用于金屬，也可用于非金屬。

在沒(méi)有外力的情況下，物體內(nèi)部存在的應(yīng)力稱為內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力在物體內(nèi)部自相平衡，即物體內(nèi)部各方向的內(nèi)應(yīng)力總和等于零。而焊接應(yīng)力則是焊接應(yīng)力是焊接過(guò)程中及焊接過(guò)程結(jié)束后，存在于焊件中的內(nèi)應(yīng)力。主要有熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、裝配應(yīng)力、相變應(yīng)力等。

焊接變形是在焊接過(guò)程中由于焊件不均勻受熱和不均勻溫度場(chǎng)而引起的焊件尺寸的改變。在焊接過(guò)程中，不均勻的加熱，使得焊縫及其附近的溫度很高，不受熱的冷金屬部分便阻礙了焊縫及近縫區(qū)金屬的膨脹和收縮，這就容易產(chǎn)生變形。特別是在冷卻后，焊縫就產(chǎn)生了不同程度的收縮和內(nèi)應(yīng)力，就造成了焊接結(jié)構(gòu)的各種變形，這些變形大致可以分為瞬態(tài)焊接應(yīng)力和變形、殘余焊接應(yīng)力和變形兩種類型。在沒(méi)有外力作用的條件下，焊接應(yīng)力在焊件內(nèi)部是平衡的。焊接變形的主要形式有收縮變形、角變形、彎曲變形、扭曲變形、波浪變形和錯(cuò)邊變形等多種形式。

2 對(duì)焊接變形帶來(lái)的危害分析

焊接變形對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的制造和使用的危害主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）使機(jī)械產(chǎn)品承載能力下降。焊后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和焊接變形降低了接頭性能，使焊件或部件的尺寸改變，引起局部較大的附加應(yīng)力，雖然可以采取矯形手段糾正，但矯正的部位會(huì)消耗掉一部分材料的塑性，導(dǎo)致承受載荷能力下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致脆斷，造成機(jī)械設(shè)備損壞的惡性事故發(fā)生。

（2）使機(jī)械產(chǎn)品裝配質(zhì)量下降。當(dāng)機(jī)械設(shè)備的各部件由于焊接變形導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力，在組裝各部件時(shí)，產(chǎn)生扭曲、錯(cuò)位等情況，造成裝配整體變形，使整個(gè)構(gòu)件喪失穩(wěn)定性，導(dǎo)致設(shè)備裝配質(zhì)量嚴(yán)重下降，有時(shí)甚至產(chǎn)品報(bào)廢。

（3）使機(jī)械產(chǎn)品抗腐蝕性下降。焊接是產(chǎn)生大量的熱，使得焊縫接口與周圍環(huán)境氣體中的C、O、H、N等氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，改變接縫材質(zhì)。矯形后，在強(qiáng)大的外力作用下會(huì)導(dǎo)致焊縫的塑性和韌性明顯變差，導(dǎo)致脆性增加極易產(chǎn)生裂紋，從而使焊接接頭的抗腐蝕性隨之下降。

（4）使機(jī)械產(chǎn)品制造成本增加。焊接變形使機(jī)械部件組裝變得困難，需要經(jīng)過(guò)矯形后方可裝配，而校正要消耗大量的人力和物力，給生產(chǎn)增加許多額外的工序，延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期，影響了生產(chǎn)效率，增加了機(jī)械的制造成本，造成不必要的浪費(fèi)。

3 對(duì)焊接變形產(chǎn)生原因的分析

影響焊接應(yīng)力與變形的因素很多，焊件的不均勻受熱、焊縫金屬的收縮、金相組織的變化及焊件材質(zhì)的不同等等。一般歸納總結(jié)主要有以下三方面的因素。

（1）受材料因素的影響。焊接離不開(kāi)焊絲和焊接母材，這兩種材料的化學(xué)成分不同，焊接性也不同。當(dāng)前在焊接領(lǐng)域，決定強(qiáng)度和可焊性的因素主要是含碳量。碳當(dāng)量越大，焊接性能越差。

（2）受設(shè)計(jì)因素的影響。機(jī)械產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)樾枰獫M足承重、支撐等能力要求，就必須采用筋板或肋板來(lái)提高整個(gè)產(chǎn)品的剛性和穩(wěn)定性。但由于焊接變形的不可控性，采取這樣的設(shè)計(jì)理念自然就難以避免的增加了焊接變形的幾率。

（3）受焊接工藝的影響。焊接常用手工焊、CO2氣體保護(hù)焊、埋弧焊、氬弧焊等多種方式，各種焊接方法差異，使變形也各有差異。同時(shí)，由于受選用的焊接接頭形式的不同和多層多道焊接的影響，也會(huì)使接頭塑性變形區(qū)增大。

4 預(yù)防與控制焊接變形的具體措施

焊接應(yīng)力和變形影響焊件的功能和外觀，給產(chǎn)品制造工藝增加困難，還會(huì)因焊接變形過(guò)大導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此必須予以嚴(yán)格控制。

（1）要卡住源頭，從設(shè)計(jì)措施上進(jìn)行預(yù)防。焊接變形的必然性決定了只要有焊接必然有變形和應(yīng)力產(chǎn)生。因此，要將變形的危害量降至最低，在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，一是要合理選擇焊接工件。有效減少和控制不需要出現(xiàn)的焊縫，盡量選用型鋼、沖壓件、鍛件來(lái)替代焊接件。同時(shí)要注重優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)筋板、肋板的形狀、位置和數(shù)量，減少因此而產(chǎn)生的焊縫量和變形后的校正工作量。二是要科學(xué)設(shè)計(jì)焊接尺寸。眾所周知，焊縫越寬越深，在受熱后冷卻時(shí)收縮引起的變形量就越大。因此，要在保證產(chǎn)品性能符合設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選用較小的焊腳、坡口尺寸，盡可能的減少焊縫的橫截面積和熔敷金屬量，以減少焊接變形量。三是要合理設(shè)計(jì)焊縫位置。由于焊縫橫向收縮量大于縱向收縮量的特性，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候要充分考慮到這一收縮的特性，盡量將焊縫布置在平行于要求焊接變形量最小的方向，使其與焊件的截面中心線或軸線對(duì)稱，避免設(shè)計(jì)曲線形結(jié)構(gòu)，這樣對(duì)于減少梁、柱等主要支撐結(jié)構(gòu)的變形能起到較好的防范效果。

（2）把握過(guò)程，從焊接工藝措施上入手工藝措施是焊接構(gòu)件生產(chǎn)制造過(guò)程中所采用的一系列措施，正確地選擇和嚴(yán)格遵守焊接程序，是減小焊接變形和內(nèi)應(yīng)力的有效方法，更是保證焊接質(zhì)量的重要措施。因此，在施焊過(guò)程中，要認(rèn)真做好焊前的各項(xiàng)預(yù)防措施。一是可以通過(guò)采取反變形法，在焊接時(shí)人為造成與焊接變形量大小相當(dāng)、方向相反的預(yù)變形量，通過(guò)焊后變形收縮來(lái)抵消預(yù)變形量，使焊接件達(dá)到設(shè)計(jì)要求的幾何形狀和尺寸。這種方法特別適用于機(jī)械設(shè)備的外殼焊接上，保證外殼不會(huì)塌陷；二是可以采取預(yù)拉伸法，通過(guò)機(jī)械等形式預(yù)先將焊件拉伸與伸長(zhǎng)，并在張緊的鋼板上進(jìn)行焊接，焊后去除預(yù)拉伸，使鋼板恢復(fù)原始狀態(tài)。三是可以采取剛性固定法，通過(guò)夾具或剛性胎具將被焊工件加以固定，從而有效降低焊接殘余應(yīng)力，防止變形。但剛性固定法會(huì)使焊接接頭中產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，所以對(duì)于一些抗裂性較差的材料應(yīng)該慎用。四是要針對(duì)不同的構(gòu)件形式采用不同的焊接方法。焊縫位置、結(jié)構(gòu)截面對(duì)稱的焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)先裝配成整體，然后再按一定的焊接順序進(jìn)行生產(chǎn)，反之，則可以分別裝焊成部件，最后再組焊在一起，有效地減少變形。同時(shí)還可以采用合理的焊接方法、工藝參數(shù)、焊接次序，通過(guò)先焊短焊縫后焊長(zhǎng)焊縫、盡可能采用多層焊代替單層焊、間斷焊接法、強(qiáng)制冷卻法等措施降低焊接殘余應(yīng)力、減小焊接變形。

（3）注重收尾，從焊后矯正上控制。焊接變形一旦產(chǎn)生，就只能通過(guò)矯正措施來(lái)減小或消除發(fā)生的變形。焊后矯正的措施主要有：一是機(jī)械矯正法。所謂機(jī)械矯正法就是采用手工錘擊、壓力機(jī)、多輥平板機(jī)等多種方式，對(duì)焊件進(jìn)行靜力加壓或輾壓，使原來(lái)縮短的部分得到延伸，從而達(dá)到矯正變形的效果。手工錘擊矯形勞動(dòng)強(qiáng)度大，技術(shù)難度高，但無(wú)須設(shè)備，是矯正薄板波浪變形的重要方法。壓力機(jī)、多輥平板機(jī)等設(shè)備機(jī)械矯正效率高、速度快、效果好，適用于中、大型焊件焊后的矯形。二是加熱矯正。利用氧乙炔火焰對(duì)焊件進(jìn)行局部或整體加熱時(shí)產(chǎn)生的塑性變形，使較長(zhǎng)的金屬在冷卻后收縮，以達(dá)到矯正變形的目的?；鹧婕訜岢C正法的加熱方式有點(diǎn)狀、線狀和三角形三種，主要適用于低碳鋼和沒(méi)有淬硬傾向的普通低合金鋼。又可分為整體加熱矯正法和局部加熱矯正，整體加熱主要用于消除較大的形狀偏差。但是這樣的做法容易有副作用，即容易產(chǎn)生冶金方面的一些問(wèn)題，而局部加熱矯正方法簡(jiǎn)便靈活，因此在生產(chǎn)上廣為應(yīng)用。