魯 ?。ㄟ|寧省本溪市機(jī)電工程學(xué)校,遼寧 本溪 117009）

淺談焊接的收縮變形

魯 俊
（遼寧省本溪市機(jī)電工程學(xué)校,遼寧 本溪 117009）

“收縮變形是焊接變形的一種形式，是指焊件尺寸比焊前縮短的現(xiàn)象”。焊接變形產(chǎn)生的主要原因就是焊件的不均勻受熱，焊縫金屬的收縮、焊接熱影響區(qū)金相組織的變化、焊件的剛性及外部加入的拘束力等都對(duì)焊接變形和焊接應(yīng)力有著較大的影響。

焊接技術(shù)；變形形式；影響因素；收縮變形的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算；減少收縮變形

焊接是一種熱加工的加工工藝，加工過(guò)程中，工件會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象，在工件結(jié)構(gòu)內(nèi)部的力（應(yīng)力）及外部的力（拘束力）共同影響下，必然會(huì)產(chǎn)生變形及應(yīng)力狀態(tài)的變化。由焊接加工而產(chǎn)生的變形及應(yīng)力變化，就是焊接變形及焊接應(yīng)力?！昂附討?yīng)力是引起脆性斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂和失穩(wěn)破壞的主要原因，焊接變形使結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸精度難以達(dá)到技術(shù)要求，直接影響結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量和使用性能”。

“收縮變形是焊接變形的一種形式，是指焊件尺寸比焊前縮短的現(xiàn)象”。焊接變形和焊接應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因就是焊件的不均勻受熱，焊縫金屬的收縮、焊接熱影響區(qū)金相組織的變化、焊件的剛性及外部加入的拘束力等都對(duì)焊接變形和焊接應(yīng)力有著較大的影響。影響焊接變形的因素很多，產(chǎn)生的變形也很復(fù)雜，由收縮造成的焊件尺寸縮短的收縮變形；沿焊縫厚度方向橫向收縮不均勻造成的角變形；沿焊件寬度方向收縮不均勻造成的彎曲變形；焊縫角變形沿焊縫長(zhǎng)度方向分布不均勻造成的扭曲變形；大面積平板在不均勻的收縮下產(chǎn)生的波浪變形。

1 縱向收縮變形

“縱向收縮變形即沿焊縫軸線方向尺寸的縮短”。如果我們?cè)O(shè)焊接前的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，焊后的長(zhǎng)度為L(zhǎng)-Δx，則Δx為焊后縱向收縮變形量。Δx的大小取決于“焊縫長(zhǎng)度、焊件的截面積、材料的彈性模量、壓縮塑性變形區(qū)的面積以及壓縮塑性變形率有關(guān)，焊接的截面積越大，焊件的縱向收縮量越??；焊縫的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，縱向收縮量越大”。

2 橫向收縮變形

“橫向收縮變形是指沿垂直于焊縫軸線方向尺寸的縮短”。如果我們?cè)O(shè)焊接前的寬度為B，焊后的寬度為B-Δy，則Δy為焊后橫向收縮變形量。Δy的大小與熱輸入、接頭形式、裝配間隙、板厚、焊接方法以及焊件的剛性等有關(guān)，焊接熱輸入越大，焊件的橫向收縮量越大；裝配間隙越大，橫向收縮量越大；焊件的剛性越大，橫向收縮量越小。

3 收縮變形的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算

在焊接生產(chǎn)中，影響焊縫收縮量的因素很多，（1）在焊縫設(shè)計(jì)上的因素：母材的成分；母材的厚度；焊接結(jié)構(gòu)形式；焊縫數(shù)量；焊縫長(zhǎng)度；坡口形式等。（2）在生產(chǎn)工藝上的因素：裝配間隙大小；焊件是否有剛性固定；焊接方法；焊接熱輸入大小；定位焊；焊接層數(shù)、道數(shù)；焊接方向、順序等。（3）環(huán)境因素：室內(nèi)還是室外；環(huán)境溫度、濕度等都影響著焊縫的收縮量。為了能估算焊接收縮量的大小，避免復(fù)雜的計(jì)算，在實(shí)際工作中，計(jì)算單層對(duì)接焊縫的焊接收縮量，可采用以下的經(jīng)驗(yàn)公式。

1）縱向收縮量

k1：系數(shù)，低碳鋼焊接，手工電弧焊為0.5，埋弧為0.7，CO2氣體保護(hù)焊為0.43；AH：焊縫的橫截面積； L：焊縫長(zhǎng)度；A：焊件的橫截面積。

2）橫向收縮量

δ：板厚；b：裝配間隙。

4 減小收縮變形

我們知道，焊接的收縮變形與很多因素有關(guān)，要想減小焊接收縮變形，進(jìn)而減小焊接變形對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響，可以從以下幾方面加以考慮。

（1）在焊縫設(shè)計(jì)上，由于母材的成分、鋼板厚度、焊接結(jié)構(gòu)形式等是根據(jù)焊件的使用要求、強(qiáng)度要求、材料的供應(yīng)情況等不可改變因素所決定，不能做任何修改。因此，要在焊縫形狀、尺寸、數(shù)量和位置上加以考慮。

1）首先要選擇合理的焊縫形狀和尺寸。焊縫尺寸越小，焊接變形越小，在保證結(jié)構(gòu)有足夠承載能力的前提下，可以選擇最小的焊縫尺寸；選擇合理的坡口形式，如用截面小的U型坡口替代截面較大的V型坡口；2）焊縫越多，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形就越大，盡可能減少焊縫的數(shù)量，只要允許，多采用型材、沖壓件、鑄件，以減少焊縫數(shù)量；3）合理安排焊縫位置，焊縫離結(jié)構(gòu)截面的中性軸越遠(yuǎn)，變形量越大，“要把焊縫設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)截面的中性軸或靠近中性軸，力求使中性軸兩側(cè)的變形大小相等方向相反”。這些焊縫設(shè)計(jì)的措施，都是減小焊接變形的最根本的措施。

（2）在實(shí)際生產(chǎn)上，合理化生產(chǎn)工藝，采用能減小結(jié)構(gòu)焊接變形的操作方法，減小結(jié)構(gòu)的焊接變形。

1）采用留余量法，就是在下料時(shí)將零件的長(zhǎng)度或?qū)挾瘸叽邕m當(dāng)加大（比較與設(shè)計(jì)尺寸），加大多少，可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)技術(shù)獲得，這些加大尺寸，用以補(bǔ)償焊件的收縮；2）采用反變形法，根據(jù)焊件的變形是有規(guī)律可循的，通過(guò)規(guī)律，在工件焊接前預(yù)先將其向與產(chǎn)生焊接變形方向相反的方向，進(jìn)行一個(gè)人為的變形，反變形的量與坡口形式、焊接參數(shù)等有關(guān)；3）采用剛性固定法，增加工件的剛性，把工件固定在剛性平臺(tái)上或由幾個(gè)工件組成剛性更大或?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)；提高對(duì)焊縫邊緣的拘束，利用夾具或臨時(shí)支撐，把工件固定住，特別是焊縫邊緣產(chǎn)生變形最大的位置；4）合理的裝配焊接順序，“以小拼大”，“化整為零，集零為整”；施焊的焊縫盡量靠近結(jié)構(gòu)截面中性軸；對(duì)稱布置結(jié)構(gòu)，選用偶數(shù)焊工對(duì)稱施焊；5）選擇合理的焊接方法和焊接工藝參數(shù)，工件的受熱越小，產(chǎn)生的變形越小，現(xiàn)今可以盡量采用先進(jìn)的焊接方法，利用熱效能高，能量集中和熱輸入較低的焊接方法，減少焊接變形，在不能改變焊接方法時(shí)，盡量減小焊接熱輸入,采用小直徑焊條、小電流，進(jìn)行多層多道焊接。此外，通過(guò)熱平衡和迅速散熱也可以減少焊接變形。

（3）環(huán)境因素：盡量減少冬季在室外進(jìn)行焊接、同時(shí)也要關(guān)注焊接環(huán)境的溫度、濕度等對(duì)焊接結(jié)構(gòu)變形的影響。

[1]王云鵬.焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2]邱葭菲.焊工工藝學(xué)[M].北京:職工勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2009.

魯?。?961-），男，遼寧鳳城人，大專，研究方向：焊接，助理實(shí)驗(yàn)師。