陈洪昌
启东中远海运海洋工程有限公司 江苏省南通市 226200
摘 要: 焊接作为一种重要加工技术在工业生产中被广泛应用。焊接可以连接不同材料，并且焊接处比材料本身更加可靠；此外，焊接的能量来源很多，包括电弧、激光、高温、压力等等，适用性非常广泛，即便是在航空航天领域，焊接也是一种重要的连接方法。结构件作为受力的核心部分，关系到整个系统的运作状况，因此结构件的焊接十分重要，即便是微小的焊接变形也会对整个系统产生重要。本文对焊接结构件产生变形的原因进行分析，并提出控制焊接结构件变形的方法，为焊接技术发展提供理论参考。
关键词: 焊接变形；焊接方法；结构件
结构件的生产制造过程中，焊接变形是难以避免的，焊接处的弯曲、扭曲、歪斜都会对结构件产生影响，不仅影响构件外观，还会降低加工精度、降低疲劳强度、降低结构承载力。此外，焊接残余应力会对结构件的强度、刚度和局部稳定性造成影响。因此，控制结构件的焊接变形具有十分重要的意义。
1焊接变形的形成及产生的影响
1.1 焊接变形的形成原因
焊接变形产生的根本原因就是温度不均匀，焊接温度导致焊接变形的原因可以从两方面考虑，一方面是焊接金属母材发生的热胀冷缩变化，焊接是从局部进行的，焊接焊缝附近温度极高且分布不均匀，母材局部受热伸长产生塑性变形，而距离焊接点较远的温度较低部分不会发生伸长变化，从而导致然后应力分布不均，当温度冷却时形成内应力，母材金属收缩，出现变形。另一方面是焊缝金属在冷却时发生的收缩，焊缝金属收缩量与熔化金属的数量密切相关，在焊接时熔化金属数量不能够严格控制，从而导致收缩量忽大忽小，形成拉应力，导致变形。
1.2 焊接变形产生的影响
焊接变形主要会产生焊接残余内应力，在焊接处与焊缝相同的方向的应力叫做纵向应力，与焊缝方向垂直的应力叫做横向应力。残余内应力对结构件产生的影响有以下三个方面：（1）影响静载荷。当带有横向应力的结构件受纵向静载荷时，可以忽略横向应力对结构件的影响，但纵向应力却对结构件有很大影响，若纵向应力可分为纵向拉应力或纵向压应力，若构件受拉，那么纵向压应力与构件外载荷拉力相抵消，可以增加结构件的强度，反之，若构件受压，那么纵向压应力与构件外载荷拉力相叠加，使得构件的有效承载力降低。而焊接时无法人为控制应力方向，因此焊接产生的残余内应力对构件弊大于利，应当尽量减少。（2）影响构件刚度。在焊接构件中，如果存在与外载荷方向相同的内应力，那么当外载荷作用时，构件的刚度就会降低，容易产生变形，假若构件产生变形，那么变形是不可逆的，即使外载荷完全卸载后，产生的变形也不能完全恢复。（3）影响压杆稳定。由于焊接残余应力方向无法人为控制，因此在构件的焊接截面上会有多个方向的应力，当外载荷与构件残余应力叠加时，随着外载荷增大构件焊接部分会先达到屈服强度产生弯曲变形，即压杆的失稳现象。
2焊接结构件焊接变形的控制措施
2.1焊接前的工作
（1）确定合适的焊接方法。焊接前需要根据结构件的实际使用情况和现有焊接设备资源确定焊接方法，一般选择焊接能量较低的焊接方法以减小工件受热变形。焊接能量低则焊接热影响区、焊接变形区也会很小，从而对整体变形的影响很小，而且在焊接时还可以对焊接结构件的焊接变形进行实时调整。目前常用的低能量焊接方法有氩弧焊、CO2气体保护焊等方法。
（2）焊接前预热。在焊接前对构件进行预热可以有效减小局部高温导致的热胀冷缩变形，防止焊接收缩应力过大产生裂纹，能够有效减小构件的自由变形，一般对主焊缝和定位焊缝进行预热，预热温度通常在100℃-200℃之间，预热范围一般在焊接焊缝附近30-50mm内，预热的方法可以采用隔热板均匀加热、红外线加热、火焰加热等方法。
（3）事先估计变形采取措施。
根据焊接经验，可以在焊接前事先做好措施来应对变形，常用有两种方法，即反变形法和刚性固定法。反变形是提前在装配时预加一个与焊接变形相反方向的歪斜，使焊接产生的变形与预制变形抵消。刚性固定法是对构件施加固定来限制焊接变形。
2.2焊接中的技术
（1）合理设计焊接顺序。在焊接时，如果构件能够固定，则首先对焊接构件进行定位焊，能够有效降低焊接构件变形，定位焊焊点应设置在对构件活动约束较大的位置。定位焊完成后构件位置便会固定，然后再对约束性小的焊缝进行焊接，这样才能更好地保证先焊接的部位可以进行自由收缩，减少焊接结构件的变形。若构件不能够固定则先焊接大焊缝，由于大焊缝的收缩量大，在冷却时焊缝收缩阻力小，冷却后产生的应力自然也小。若构件是对称型结构，可以采用对称焊的方法，同时对构件两侧施焊，使得两端焊缝相互制约，整体结构不产生变形。
（2）合理的焊接方向。对于结构件长度过长引起焊缝过长的情况，在焊缝的末端会产生较大的拉应力，在焊缝中间区段会产生较大的压应力。这是由于冷却速度不同和收缩是焊缝受到的约束不同引起的，在焊接时，要考虑到冷却后焊缝纵向横向应力的变化，使其收缩自如，从而减少残余应力。若是对接焊缝应从中间缓慢向两端焊接，这样能使焊缝收缩平稳自由；若是交叉焊缝应保证交叉点不出现应力集中和缺陷，合理设计焊接顺序。
（3）减少焊缝的尺寸和数量。焊缝数量过多会导致构件复杂，应力也会增多，焊缝尺寸越大，构件也就越不稳定，因此在设计时应尽量减少焊缝的尺寸和数量，从而避免或减少焊接变形。此外还应该避免焊缝过分集中，焊缝与焊缝之间应保持足够的距离。
2.3 焊接后的处理
焊接过程是不可逆的，对于已经完成的焊接变形，我们应尽量减小其应力和变形，有以下几种方法：
（1）可以控制冷却速度提高焊接处的冷却性能，要焊缝在冷却时尽量减少其残余应力。
（2）对于小尺寸结构件，焊后采用热处理来消除焊接应力，加热到一定温度后，保温一段时间后，再缓慢冷却。
（3）加热减应力法，对焊缝周围进行加热，加热区产生的延伸会带动焊缝延伸，在加热区产生一个与焊缝方向相反的变形，当加热区冷却收缩时，与焊缝同时收缩，从而焊缝收缩更加自由，减少内应力。
（4）锤击焊缝法，采用较小的金属锤锤击焊缝，由于金属具有延展性，在锤击焊缝时，锤击的能量转化为焊缝延展的能量，使其内部变形，应力得到释放。
（5）对于已经产生的焊接变形较大的结构件，不能通过焊接后处理消除，则可以选择更先进的方法。一般采用机械加压矫正变形法和火焰加热矫正变形法。
3 结语
综上所述，焊接变形对工业制造有着重要影响，焊接结构件的变形控制首先应在焊接前考虑到焊接方法是否合理，可以适当对构件预热，设计人员应对焊接结构进行优化，从根本上避免焊接变形；焊接作业人员还应注意掌握金属流动收缩和热变形的原理，这样在焊接中才能掌握更多方法技巧和经验。
参考文献
[1] 程友胜. 焊接应力和焊接变形论述. [J]. 煤矿机械, 2003.24 (7),59-60.
[2] 孙乃明. 焊接结构件焊接变形的控制 [J]. 机械管理开发, 2013(03):83-84.