焊接变形及其控制措施分析

时间：2024-08-31

郎书科

(渤海装备辽河热采机械公司，辽宁盘锦 124209)

在焊接过程中，金属常常会出现焊接变形与焊接应力现象。其中，焊接应力是金属出现焊接裂纹的一个重要原因，即使金属没有出现裂纹，也会缩短金属的使用年限，降低金属焊接结构的承载能力，严重降低产品的质量。焊接变形不但会引起焊件形状、尺寸的变化，同时在焊接过后，常常需要对其进行较为复杂的矫正工作，有时产品甚至会以报废而告终。本文结合实例对常见焊接变形及其控制措施进行深入研究，具有重要意义。

1 焊接变形的类型

焊接变形是指在焊接金属构件过程中，因金属构件中产生不均匀温度场造成内应力达到金属材料的屈服极限，最终导致金属局部出现塑性变形现象。当温度降低至初始均匀状态后，金属构件内部便会出现新的内应力，即所谓的残余应力。根据变形的特点，焊接变形可以分为以下几种类型：第一，横向收缩变形，是指焊接后构件在垂直焊接方向所产生的收缩变形；第二，纵向收缩变形，是指焊接后构件在焊缝方向所产生的收缩变形；第三，挠曲变形，是指焊接后构件发生的挠曲变形；第四，角变形，是指焊接后在焊缝周边的构件平面上出现的角位移；第五，波浪变形，是指焊接后构件呈现波浪形，多在焊接薄板时发生。

2 焊接变形的控制措施

针对焊接结构的使用性能与制作精度，需要对其进行变形控制。为有效控制焊接变形，需要对影响该构件焊接变形的因素进行分析，并采取有效的措施对其进行变形控制，常见的控制措施如下：

2.1 合理选择焊缝尺寸、坡口型式

随着焊缝尺寸的增大，焊接变形也会随之增大。在对焊缝尺寸进行设计时，首先要对焊接结构的承载力进行计算，在满足条件的情况下，选用最小焊缝尺寸。各种厚度典型钢板的最小角焊缝尺寸如表1所示。

表1 最小角焊缝的尺寸情况

通过对坡口型式进行合理选择，能够对焊接变形进行有效控制。例如，V形坡口对接接头的角变形比双Y形坡口的对接接头角变形更为明显，十字接头与丁字接头比不开坡口的角焊缝变形更大。

2.2 减少焊缝数量

焊接结构应尽可能地减少焊缝数量，优先选用厚度比较薄的构件，通过选用加强筋板，能够有效提高焊接结构的刚度、稳定性，从而减少焊缝的数量，降低焊接变形的可能性。

2.3 确保合理的焊缝位置

焊缝位置应定在焊接结构的中性轴，从而减少焊接结构的弯曲变形。

2.4 合理选择焊件尺寸

焊件尺寸对焊接变形具有较为显著的影响。当焊件的厚度达到一定数值时，便会产生最大程度的角变形。此外，在对薄板结构进行焊接时，常常会出现比较大的波浪变形；在对细长结构进行焊接时，常常会出现弯曲变形。

3 实例分析

3.1 问题描述

小吨位履带梁主体结构采用的是Q345钢板，板厚在15～30 mm之间，由底板、盖板以及若干立腹板拼焊接成封闭箱形结构。经现场跟踪测量发现，小吨位履带梁焊接变形主要表现为履带梁两端相对于底板产生上翘或下挠的变形趋势，且变形量不一。其变形量最大时达到10 mm，大大超出技术要求范围。

3.2 影响焊接变形的因素

通过对小吨位履带梁整体结构及拼点过程进行综合分析，认为影响焊接变形的因素主要有以下几点：

(1)履带梁腹板周圈焊缝为C14单边坡口(见图1腹板单件图)，填平坡口后焊脚尺寸为15 mm，焊接量及热输入较大，是造成履带梁焊接变形因素之一。

图1 腹板单件图

(2)焊接工艺参数不合理。合理的焊接工艺参数是保证焊缝质量的关键。在其他因素一定的情况下，电流电压参数不合理导致焊接热输入太大，也是造成焊接变形的因素之一。

(3)焊接顺序不合理。焊接操作指导书对焊工焊接时指导性不强，导致焊接变形量大小不一。

3.3 焊接变形的控制措施

由于在焊接底板与立腹板连接焊缝时，焊缝较集中，且焊接时热输入都在底板上方，因此单从加大底板的厚度提高底板的刚度来控制焊接变形不但会增加材料成本，而且收效不大。通过综合考虑，从以下几方面对履带梁焊接变形进行控制。

3.3.1 更改坡口尺寸

图纸焊接坡口设计为45°，这种坡口型式由于焊接时填充金属多，热输入大，导致焊接变形较大，经联合工艺进行试验证明：板厚15 mm、坡口 30°的焊缝完全可以保证焊缝质量,且焊材消耗量相对较少。因此将履带梁腹板 4×C14 单面坡口角度改为 4×30°坡口，坡口更改后的腹板见图2，该坡口在减小焊丝填充量的同时可减小热输入量，从而减少焊接变形。

3.3.2 优化焊接工艺参数

焊接时，在其他因素一定的情况下，电流和电压的配比值决定了焊接线能量的大小。因此，采取减小焊接热输入是控制焊接变形量大小的方式之一。在保证焊缝全熔透的情况下，尽量选择低的焊接参数，从而达到控制焊后变形的目的。经多次试验，焊接生产过程中，按表2所给焊接参数进行焊接，可较好地减小焊接热输入。

图2 坡口更改后的腹板

焊接层数焊接电流I/A电弧电压U/V1240～26024～262260～28026～283240～26026～28

3.3.3 完善焊接顺序及方法

焊接时立板与上下盖板连接外部焊缝是造成焊接变形的主要因素，因此将此焊缝进行打底焊后暂不进行填充及盖面焊，待履带梁主体结构其余焊缝焊完后再进行填充及盖面焊；所有外焊缝的打底焊(第一层焊)焊接完成后，方可进行第二层填充焊焊接，当所有外焊缝的填充焊(第二层焊)焊接完成后，方可进行最后盖面焊焊接，所有焊层焊接顺序、方向全部相同。

3.3.4 效果验证

经过对小吨位履带梁焊接变形控制、跟踪及总结，在更改外侧立腹板坡口角度尺寸大小、优化焊接工艺参数、完善焊接顺序及方法等手段，履带梁焊接变形得到了有效控制，同时也大大缩短焊后整形工时，提升了焊接质量和工作效率。