影响焊接变形的因素及其优化方案

在一般焊接结构的生产中，大量出现的是焊接变形对焊接结构的影响。所以，本节将着重介绍影响焊接变形的设计及工艺方面的因素。

1.焊接结构的设计因素

（1）焊缝尺寸与形状的影响 如果焊接结构上焊缝的尺寸与长度过大，则必然会引起较大的焊接变形。尤其在薄板结构中，如果焊缝过长，则更容易产生波浪变形，而增加了矫正的困难。另外，如果角焊缝的焊脚尺寸大于按强度计算所必需的尺寸，对焊接结构也会带来不利影响。

（2）焊缝数量的影响 焊缝的收缩变形是导致焊接变形的根本原因。在一般的机械结构中，为了减小结构的质量，通常用焊接结构来代替浇铸件，但如果过多设置不必要的焊缝，则会增加焊接的变形量。尤其是在薄板结构中，如果过多地用焊接结构来代替简单易行的压型结构，则增加了焊缝数量，就会造成较大的焊接变形。

（3）焊缝位置的影响

1）如图6-36a所示，双V形（X形）坡口，这种坡口使焊缝在结构截面重心线对称分布，焊后主要引起结构纵向与横向缩短；图6-36b所示为V形坡口，焊缝重心偏离在结构截面重心线上侧，焊后不但会有纵向与横向缩短，还会有角变形产生。

图6-36 焊缝在结构中的位置对变形的影响（一）

a）双V形坡口 b）V形坡口

2）如图6-37a所示为焊缝在结构截面重心线上，焊后主要引起结构纵向和横向缩短；如图6-37b所示，两块宽度不等的钢板拼接，焊缝在结构截面重心线（x-x轴）的上侧，不对称，焊后由于焊缝纵向收缩会引起弯曲变形。

图6-37 焊缝在结构中的位置对变形的影响（二）

a）焊缝位于重心线 b）焊缝位于重心线上侧

3）图6-38a所示为两片半圆瓦对接成圆筒，焊缝对称分布，焊后主要产生纵向缩短和圆周长度减少；图6-38b所示为钢板卷圆后进行对接，焊缝在截面上对x-x轴不对称分布，位于上侧，焊后由于焊缝纵向收缩会引起弯曲变形。

图6-38 焊缝在结构中的位置对变形的影响（三）

a）两片半圆瓦对接 b）卷圆后进行对接

4）图6-39a所示为工字梁，焊缝对x-x轴和y-y轴均对称分布，焊后主要产生纵向缩短；图6-39b所示为丁字梁，焊缝对x-x轴不对称分布，位于该轴下侧，焊后由于焊缝纵向收缩而引起弯曲变形。

图6-39 焊缝在结构中的位置对变形的影响（四）

a）工字梁 b）丁字梁

5）如图6-40a所示，四条焊缝和所有筋板焊缝对x-x轴和y-y轴都对称分布，焊后在四条焊缝纵向收缩以及所有筋板焊缝横向收缩的共同作用下，引起整个工字梁的纵向缩短；如图6-40b所示，主要焊缝对y-y轴对称分布，但是筋板焊缝都集中在x-x轴的上侧，其布置不对称，焊后因为筋板焊缝产生横向收缩，引起整个工字梁的弯曲变形。

图6-40 焊缝在结构中的位置对变形的影响（五）

a）对x-x轴和y-y轴对称布置 b）对y-y轴对称布置(www.xing528.com)

（4）结构刚性的影响 金属结构在力的作用下通常是不容易产生变形的，称为刚性大，反之称为刚性小。因此，在焊接结构中，刚性大的变形小，刚性小的变形大。

在焊接结构中，刚性对于影响拉伸、弯曲和扭曲变形又有不同的规律。

1）影响焊接结构拉伸变形的刚性，主要由结构截面积的大小来决定。焊接结构的截面积越小，则抵抗拉伸变形的刚性就小，拉伸变形就越大。

2）影响焊接结构弯曲变形的刚性，主要由结构截面的形状和尺寸来决定。例如，截面完全相同的梁，当在结构中的安放位置使截面的垂直尺寸小于水平尺寸时，抗弯刚性就小，容易产生弯曲变形；截面完全相同的结构，长度越大，抗弯刚性就越小。板厚一样的T字梁（或工字梁、箱形梁），腹板高度越小，抗弯刚性则越小。

3）影响焊接结构扭曲变形的刚性，除取决于结构尺寸大小外，最主要的是结构截面的形状。如果结构截面是不封闭的，则抵抗扭曲变形的刚性就小。图6-41所示为几种梁的截面形状，图6-41a、图6-41b所示为封闭形的截面，其抗扭曲变形的刚性要比图6-41c、图6-41d、图6-41e所示的不封闭的截面强。

图6-41 常见焊接梁的截面形状

a）封闭截面梁1 b）封闭截面梁2 c）不封闭截面梁1 d）不封闭截面梁2 e）不封闭截面梁3

综上所述，一般短而粗的焊接结构，其刚性较大；细而长的构件，其刚性较小。在实践中，估计焊后产生各种变形的程度，一定要综合考虑上述几个方面的因素。

2.焊接结构的工艺因素

（1）装配及焊接顺序的影响 一个焊接结构的刚性是在装配和焊接过程中逐渐增大的，整体结构的刚性总比它的零件或部件刚性大。因此，如果没有条件将结构总装成刚性较大的情况下焊接，那么势必会产生较大的变形。当用钢板焊接工字梁时（图6-42a），先将腹板和一块翼板装配-焊接成T形梁，然后在T形梁上装配-焊接另一块翼板形成工字梁；图6-42b所示为先整体装配成工字梁，然后焊接。显然，采用6-42b所示的装配-焊接顺序，变形较小。

图6-42 装配和焊接顺序对变形的影响

a）先焊接成T形再焊接成工字梁 b）先整体装配成工字梁，然后焊接

（2）焊接方向的影响 对于普通对接直焊缝来说，不管焊缝有多长，其横向受力的分布总是在末端产生较大的拉应力、中段受到较大的压应力，而且焊缝越长，采用直通焊（连续向一个方向焊接）的方法，这种应力就越大，因此产生的焊件变形也就越大。不同的焊接方向会导致焊接结构产生不同的变形，这不仅仅是因为在焊接过程中沿焊缝方向上热量的不均匀分布，主要是由于冷却有先后，在膨胀或收缩过程中受到的约束程度不同而引起的。

（3）焊接方法的影响 焊接过程中，由于焊接方法不同，金属受热的体积越大，变形也就越严重。如果在气焊时，由于焊件的受热面较大，因此焊件的变形也较大；而在电弧焊时，尽管其热能较大，但由于热量较集中，焊接速度又远大于气焊，因此相对来说焊件的受热面就比气焊时小，变形也就较小。同理，等离子弧焊与电子束焊产生的变形就更小。

3.其他因素

（1）焊接电流、焊接速度的影响 对于大多数的焊接结构来讲，变形随着焊接电流的增大而增加，使用的焊条直径大，变形也大。同时，变形随着焊接速度的加快而减小，其根本原因在于焊接结构受热体积的增加和减小。

（2）焊接材料线膨胀系数的影响 金属材料受热时，在某一个方向上发生膨胀称为线膨胀。当温度上升1℃时金属所增加的长度和0℃时长度的比值，称为线膨胀系数，用a_l表示，单位是mm/（mm·℃）。a值越大则焊后收缩变形也就越大。

（3）装配间隙与坡口形式的影响 装配间隙越大，坡口截面需要填充的面积越大，焊件焊后产生的变形就越大。图6-43所示是几种常见典型坡口形式焊接变形量大小的比较，对于同样厚度的焊件，当采用电渣焊方法进行焊接时，所产生的焊接变形要比焊条电焊或埋弧焊大，这主要是因为电渣焊的坡口（装配间隙）大，填充金属量大。

总之，各种影响焊接变形的因素并不是单独起作用的，这就要求在分析焊接结构变形时，要考虑各种影响的因素，以便能够定出较合理的阻止变形的措施。

图6-43 装配间隙与坡口形式对变形的影响

a）变形最大 b）变形较大 c）变形最小