提高焊接质量的方法之焊接变形和焊件结构工艺性

金属结构在焊接后，经常发现其形状有变化，有时还出现裂纹，这是由于焊接时，焊件受热不均匀而引起收缩应力而造成的。变形的程度除了与焊接工艺有关以外，还与焊件的结构是否合理有很大关系。

1.焊接变形及防止方法

（1）焊接变形产生的原因

焊接构件因焊接而产生的内应力称为焊接应力，因焊接而产生的变形称为焊接变形。产生焊接应力与变形的根本原因是焊接时工件局部的不均匀加热和冷却。

焊接变形的基本形式有弯曲变形、角变形、波浪变形和扭曲变形等，如图1-72所示。

图1-72　焊接变形分类

（a）弯曲变形；（b）角变形；（c）波浪变形；（d）扭曲变形

（2）焊接变形的防止方法

①反变形法。根据某些焊件易变形的规律，焊前在放置焊件时，使其形态与焊接时发生的变形方向相反，以抵消焊接后产生的变形。图1-73所示是针对板料焊接易产生角变形的规律，焊前将两块板料放在垫块上，使其向下弯折一个角度，这个角度就是V形坡口焊后向上弯折的角度（图1-73（a）），于是焊后的两块板料就平直了（图1-73（b））。

图1-73　防止角变形的反变形法

②焊前固定法。焊接前，用夹具或重物压在焊件上，以抵抗焊接应力，防止焊件变形，如图1-74（a）和图1-74（b）所示。也可预先将焊件点焊固定在平台上，然后再焊接，如图1-74（c）所示。为了防止将固定装置去除后再发生变形，一般在焊接时用手锤敲击焊缝，使焊接应力及时释放，令焊件形状比较稳定。

③焊接顺序变换法。这是一种通过变换焊接的顺序，将焊接时施加给焊件的热量尽快发散掉，从而防止焊接变形的方法。常用的焊接顺序变换法有对称法、跳焊法和分段倒退法，如图1-75所示。图中小箭头为焊接时焊条运行的方向，数字由小到大为焊接顺序。

图1-74　焊前固定法防止变形

1—焊件；2—压铁；3—焊缝；4，9—平台；5—垫铁；6—压板；7—螺栓；8—定位焊点

图1-75　焊接顺序变换法

（a）对称法；（b）跳焊法；（c）分段倒退法

④锤击焊缝法。这种方法是在焊接过程中，用手锤或风锤敲击焊缝金属，以促使焊缝金属产生塑性变形，焊接应力得以松弛减小。

2.焊件的结构工艺性

要使焊件焊接后能达到各项技术要求，除了采用上述防止变形等措施以外，还要注意合理设计焊件结构。为此，必须对焊件的结构工艺性有所了解。所谓焊件结构工艺性，是指所设计的焊件结构能确保焊接工艺过程顺利地进行，它主要包含以下内容：

（1）尽可能选用焊接性好的原材料

一般情况下，碳的质量分数小于0.25%的碳钢和碳的质量分数小于0.2%的低合金结构钢都具有良好的焊接性，应尽量选用它们作为焊接材料。而碳的质量分数大于0.5%的碳钢和碳的质量分数大于0.4%的合金钢，焊接性都比较差，一般不宜采用。另外，焊件结构应尽可能选用同一种材料的焊接。

（2）焊缝位置应便于焊接操作(www.xing528.com)

在采用电弧焊或气焊进行焊接时，焊条或焊枪、焊丝必须有一定的操作空间。如图1-76（a）所示的焊件结构，焊件是无法按合理倾斜角度伸到焊接接头处的。改成图1-76（b）所示的结构后，就容易进行焊接操作了。

在埋弧焊时，因为在焊接接头处要堆放一定厚度的颗粒状焊剂，所以焊件结构的焊缝周围应有堆放焊剂的位置，如图1-77所示。

（3）焊缝应尽量均匀、对称，避免密集、交叉

焊缝均匀、对称可防止因焊接应力分布不对称而产生变形，如图1-78所示；避免焊缝交叉和过于密集可防止焊件局部热量过于集中而引起较大的焊接应力，如图1-79所示。

图1-76　焊缝位置应便于焊接操作

（a）不合理；（b）合理

图1-77　埋弧焊焊缝位置应便于堆放焊剂

（a）无法堆放焊剂，只能进行手弧焊；（b）合理

图1-78　焊缝应对称分布

（a）不合理；（b）合理

图1-79　焊缝应避免交叉、密集

（a）不合理；（b）合理

（4）焊缝位置应避免应力集中

由于焊接接头处塑性和韧性较差，又有较大的焊接应力，如果此处又有应力集中现象，则很容易产生裂纹。如图1-80所示为一储油罐，两端为封头。封头形式有两种：一种是球面封头，直接焊在圆柱筒上，形成环形角焊缝（如图1-80（a）所示）；另一种是把封头制成盆形，然后与圆柱筒焊接，形成环形平焊缝（如图1-80（b）所示）。第二种封头可减少应力集中，其结构比第一种更加合理。

图1-80　焊缝位置应避免应力集中

（a）不合理；（b）合理

（5）焊接元件应尽量选用型材

在焊接结构中，常常是将各个焊接元件组焊在一起。如果能合理选用型材，就可以简化焊接工艺过程，有效地防止焊接变形。图1-81（a）所示的焊件是用三块钢板组焊而成的，它有四道焊缝。而图1-81（b）所示的焊件由两个槽钢组焊而成，只需在接合处采用分段法焊接，既可简化焊接工艺，又可减小焊接变形。如果能选用合适的工字钢，就可完全省掉焊接工序。

图1-81　焊件尽量选用型钢组焊

（a）三块钢板组焊；（b）两槽钢组焊