防止焊接变形的优化方案

根据焊接变形对结构的不同影响，焊接变形可分为局部变形和整体变形。局部变形是指构件某一部分的变形，如角变形、波浪变形等。整体变形是指整个构件的形状或尺寸发生变化，如收缩变形、弯曲变形和扭转变形等。但是无论哪种变形，都遵循同样的规律：焊缝区冷却后出现收缩，使焊件产生内应力，如果焊件本身的刚度不能克服焊缝区的收缩力，焊件就会变形。有些厚钢板构件，其刚性较好，无明显的焊接变形，但构件内部焊接应力相当大，当有某种诱因使焊接应力得到释放时，构件就会变形。由此可见，防止或减少焊接变形，应从提高构件刚度、减少焊接应力等方面入手。具体说来在焊接加工时可从以下方面着手进行。

（1）选择合理的装配和焊接顺序 对于简单构件，应先装配，而后按对称的焊接顺序施焊，这样会提高焊件刚度，减少变形。对于结构较复杂的构件，应划分成若干个部件进行装配焊接，这样变形易控制与矫正，最后将焊好并矫正好的部件总装焊接。

焊接顺序对焊接应力和焊接变形有很大的影响。因此为了使焊件变形小，应注重焊接的顺序。焊缝布置对称的结构，在采用相同焊接工艺的情况下，先焊的焊缝由于受到的强制约束较小，引起的变形较大。一般情况下，焊缝引起的变形量是不能相互抵消的，先焊的焊缝引起的变形往往与焊件的最后变形一致。

选择合理的焊接顺序可遵循以下原则：

1）尽可能使焊缝收缩自由，减小焊件的内应力和局部变形。对大型构件的焊接，应从中间向四周进行。如拼装一个大型容器底板，为了减小焊接应力和局部变形，应采取如图12-7所示的焊接顺序。

2）采用对称焊接。对一般的对称焊接，最好由两名焊工对称地进行焊接，这样可使各焊缝引起的变形相互抵消。圆筒体的对称焊接顺序如图12-8所示。工字梁的对称焊接顺序如图12-9所示。

图12-7 大型容器底板拼接的焊接顺序

图12-8 圆筒体对称焊接顺序

图12-9 工字梁对称焊接顺序

3）构件焊缝不对称时，一般应先焊焊缝少的一侧。这样可以使先焊的焊缝所引起的变形部分得到抵消。如压力机用压型上模，由于焊缝不对称，即断面重心线以上的焊缝多于重心线以下的焊缝，造成在焊后往往产生下挠弯曲变形。

为了减少变形，两名焊工应对称地先焊只有两条焊缝的一侧，即先焊焊缝少的一侧（图12-10b），这样焊后会造成图12-10a所示的上拱变形，但是焊缝1和1′提高了焊件的刚度，当焊接另一侧的四条焊缝时，这四条焊缝2和2′、3和3′的收缩变形受到了较大的阻碍，它们引起的变形减小，如图12-10c所示（先焊2和2′，后焊3和3′）。由于压型上模断面重心线上、下焊缝所引起的变形方向相反，变形量差距不大，故变形基本上相互抵消，这样基本上防止了焊件的下挠变形。

图12-10 压型上模两人对称焊接顺序

（2）正确选用不同的施焊方法 当焊缝长度超过1m时，可采用逐步退焊法、分中逐步退焊法、跳焊法、交替焊法和分中对称焊法等施焊方法，从而使焊件的受热均匀地分布。由于焊件受热均匀，也就能均匀地冷却，这样就减少了变形和应力，如图12-11所示。退焊法和跳焊法中，每段焊缝的长度以100～350mm为宜。

图12-11 防止变形的不同焊法

a）分中对称焊 b）逐步退焊 c）分中逐步退焊 d）跳焊 e）交替焊

对于工字梁而言，正确的施焊方法是：把总装好的工字梁垫平后采用对称焊接，如图12-12a所示。

焊接时，两边对称的焊缝方向应一致，且不要错开，否则就会减弱抵消变形的作用。如果一名焊工操作，焊接顺序是：先焊1、2焊缝，而后翻转工件焊3、4和5、6焊缝，最后再翻转焊7、8焊缝。如果四条焊缝不需焊两层，则在焊1、2焊缝时，不焊满全长，可留30%～50%的长度，待焊完3、4焊缝后再焊。焊每一条焊缝时，应从中间向两端分段焊，每段长度约为500～1000mm，如图12-12b所示。如果两名焊工同时操作，应按图12-12c所示的那样进行焊接。

图12-12 工字梁焊接顺序(www.xing528.com)

a）工字梁焊前垫平 b）单人焊的焊接顺序 c）双人焊的焊接顺序

（3）刚性固定法 刚性固定法是依据刚性大的构件焊后变形一般较小的原理。操作时，将工件先用刚性很大的夹具固定，然后再进行焊接。由于工件高温带在冷却过程中产生的收缩变形被夹具强制克服，因此减小了焊后变形。焊件的刚性主要取决于结构的形状和尺寸大小。对刚性小的构件，在焊接前一般还需加强其刚性。

这种方法尽管在实际中常用，但也有一些缺点，如对大件不易固定；撤去固定装置后，焊件仍会产生一定的变形；并且只适用于焊接塑性较好的低碳钢和低合金钢，这是因为在近焊缝区发生的一些塑性变形对于低碳钢的机械强度影响不大。但是这种方法不适用于高强度钢板的焊接，因为限制变形，则应力增加，容易产生裂纹。

刚性固定的方法很多，可用简单的夹具和支撑，也可用专用的胎具。有的固定方法只是临时把焊件固定在刚性工作台上，有的甚至用焊件本身去构成刚性较大的组合体。采用刚性固定法时，对夹具和支撑的拆卸需等焊件冷却后再进行。常用的刚性固定方法主要有以下几种。

1）夹具法。采用夹具法固定，情况大致有两种：一种是将工件用螺栓或夹子固定在平台上，利用平台的刚性，减少焊后的角变形和弯曲变形；二是将对称的工件用夹子或焊封闭板互相固定在一起，以提高工件刚性。工字梁用夹具法固定的情况如图12-13所示。

图12-13 工字梁用夹具法固定

2）临时固定。在焊接薄板时，为了防止或减少波浪变形，把板的四周用定位焊与平台固定，在易出现波浪变形的部分用重物压住，焊完且焊缝完全冷却后，将定位焊点铲除，如图12-14所示。

3）支撑法。某些截面不封闭的构件焊后易变形，可在焊前焊上一些临时支撑或拉杆，使工件呈封闭状，以提高其刚性，如图12-15所示。

图12-14 薄板焊接时用临时固定法防变形

图12-15 用支撑提高工件刚性

（4）反变形法 反变形法是根据经验或试验来断定焊件在冷却后发生变形的方向和程度，在焊接前给予焊件大小相同、方向相反的变形，以抵消焊件由于焊接产生的变形。这种方法只要预测好反变形量，就能保证焊后基本上不产生变形，因此效果最好。这种方法一般多用于6mm以上的板材制成的丁字形构件或工字形构件。焊前给焊件造成反变形，可以是塑性的反变形，也可以是弹性的反变形。

图12-16所示是一个反变形的实例。

工字梁在焊后，角焊缝的横向收缩会引起角变形，如图12-17a所示。

为了防止角变形，将翼板反向压成一定角度（图12-17b），然后再组装焊接，会收到较理想的效果。反变形的效果主要取决于对变形预测的准确性。

图12-16 钢板对接的反变形法

a）没有采取反变形法 b）采取反变形法

图12-17 焊接工字梁反变形法