浅谈焊接的收缩变形
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摘 要：“收缩变形是焊接变形的一种形式，是指焊件尺寸比焊前缩短的现象”。焊接变形产生的主要原因就是焊件的不均匀受热，焊缝金属的收缩、焊接热影响区金相组织的变化、焊件的刚性及外部加入的拘束力等都对焊接变形和焊接应力有着较大的影响。
关键词：焊接技术；变形形式；影响因素；收缩变形的经验计算；减少收缩变形
焊接是一种热加工的加工工艺，加工过程中，工件会产生热胀冷缩现象，在工件结构内部的力（应力）及外部的力（拘束力）共同影响下，必然会产生变形及应力状态的变化。由焊接加工而产生的变形及应力变化，就是焊接变形及焊接应力。“焊接应力是引起脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂和失稳破坏的主要原因，焊接变形使结构的形状和尺寸精度难以达到技术要求，直接影响结构的制造质量和使用性能”。
“收缩变形是焊接变形的一种形式，是指焊件尺寸比焊前缩短的现象”。焊接变形和焊接应力产生的主要原因就是焊件的不均匀受热，焊缝金属的收缩、焊接热影响区金相组织的变化、焊件的刚性及外部加入的拘束力等都对焊接变形和焊接应力有着较大的影响。影响焊接变形的因素很多，产生的变形也很复杂，由收缩造成的焊件尺寸缩短的收缩变形；沿焊缝厚度方向横向收缩不均匀造成的角变形；沿焊件宽度方向收缩不均匀造成的弯曲变形；焊缝角变形沿焊缝长度方向分布不均匀造成的扭曲变形；大面积平板在不均匀的收缩下产生的波浪变形。
1 纵向收缩变形
“纵向收缩变形即沿焊缝轴线方向尺寸的缩短”。如果我们设焊接前的长度为L，焊后的长度为L-Δx，则Δx为焊后纵向收缩变形量。Δx的大小取决于“焊缝长度、焊件的截面积、材料的弹性模量、压缩塑性变形区的面积以及压缩塑性变形率有关，焊接的截面积越大，焊件的纵向收缩量越小；焊缝的长度越长，纵向收缩量越大”。
2 横向收缩变形
“横向收缩变形是指沿垂直于焊缝轴线方向尺寸的缩短”。如果我们设焊接前的宽度为B，焊后的宽度为B-Δy，则Δy为焊后横向收缩变形量。Δy的大小与热输入、接头形式、装配间隙、板厚、焊接方法以及焊件的刚性等有关，焊接热输入越大，焊件的横向收缩量越大；装配间隙越大，横向收缩量越大；焊件的刚性越大，横向收缩量越小。
3 收缩变形的经验计算
在焊接生产中，影响焊缝收缩量的因素很多，（1）在焊缝设计上的因素：母材的成分；母材的厚度；焊接结构形式；焊缝数量；焊缝长度；坡口形式等。（2）在生产工艺上的因素：装配间隙大小；焊件是否有刚性固定；焊接方法；焊接热输入大小；定位焊；焊接层数、道数；焊接方向、顺序等。（3）环境因素：室内还是室外；环境温度、湿度等都影响着焊缝的收缩量。为了能估算焊接收缩量的大小，避免复杂的计算，在实际工作中，计算单层对接焊缝的焊接收缩量，可采用以下的经验公式。
1）纵向收缩量
k1：系数，低碳钢焊接，手工电弧焊为0.5，埋弧为0.7，CO2气体保护焊为0.43；AH：焊缝的横截面积； L：焊缝长度；A：焊件的横截面积。
2）横向收缩量
或
δ：板厚；b：装配间隙。
4 减小收缩变形
我们知道，焊接的收缩变形与很多因素有关，要想减小焊接收缩变形，进而减小焊接变形对整体结构的影响，可以从以下几方面加以考虑。
（1）在焊缝设计上，由于母材的成分、钢板厚度、焊接结构形式等是根据焊件的使用要求、强度要求、材料的供应情况等不可改变因素所决定，不能做任何修改。因此，要在焊缝形状、尺寸、数量和位置上加以考虑。
1）首先要选择合理的焊缝形状和尺寸。焊缝尺寸越小，焊接变形越小，在保证结构有足够承载能力的前提下，可以选择最小的焊缝尺寸；选择合理的坡口形式，如用截面小的U型坡口替代截面较大的V型坡口；2）焊缝越多，结构产生的变形就越大，尽可能减少焊缝的数量，只要允许，多采用型材、冲压件、铸件，以减少焊缝数量；3）合理安排焊缝位置，焊缝离结构截面的中性轴越远，变形量越大，“要把焊缝设计在结构截面的中性轴或靠近中性轴，力求使中性轴两侧的变形大小相等方向相反”。这些焊缝设计的措施，都是减小焊接变形的最根本的措施。
（2）在实际生产上，合理化生产工艺，采用能减小结构焊接变形的操作方法，减小结构的焊接变形。
1）采用留余量法，就是在下料时将零件的长度或宽度尺寸适当加大（比较与设计尺寸），加大多少，可以通过经验技术获得，这些加大尺寸，用以补偿焊件的收缩；2）采用反变形法，根据焊件的变形是有规律可循的，通过规律，在工件焊接前预先将其向与产生焊接变形方向相反的方向，进行一个人为的变形，反变形的量与坡口形式、焊接参数等有关；3）采用刚性固定法，增加工件的刚性，把工件固定在刚性平台上或由几个工件组成刚性更大或对称的结构；提高对焊缝边缘的拘束，利用夹具或临时支撑，把工件固定住，特别是焊缝边缘产生变形最大的位置；4）合理的装配焊接顺序，“以小拼大”，“化整为零，集零为整”；施焊的焊缝尽量靠近结构截面中性轴；对称布置结构，选用偶数焊工对称施焊；5）选择合理的焊接方法和焊接工艺参数，工件的受热越小，产生的变形越小，现今可以尽量采用先进的焊接方法，利用热效能高，能量集中和热输入较低的焊接方法，减少焊接变形，在不能改变焊接方法时，尽量减小焊接热输入，采用小直径焊条、小电流，进行多层多道焊接。此外，通过热平衡和迅速散热也可以减少焊接变形。
（3）环境因素：尽量减少冬季在室外进行焊接、同时也要关注焊接环境的温度、湿度等对焊接结构变形的影响。
参考文献：
[1]王云鹏.焊接结构生产[M].北京：机械工业出版社，2006.
[2]邱葭菲.焊工工艺学[M].北京：职工劳动社会保障出版社，2009.
作者简介：鲁俊（1961-），男，辽宁凤城人，大专，研究方向：焊接，助理实验师。
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