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摘要：焊接时由于结构短时间受到加热、冷却和残余应力等因素的影响，无法避免的出现焊接残余变形，焊接变形对结构完整程度、工业合理性以及使用安全性产生重要影响。为此，本文对焊接变形的原因及影响因素进行分析，并提出相应的控制方法。
关键词：焊接;变形;控制方法
焊接是对结构局部进行加热的一种工艺方法，在焊接过程中以及焊接结束后，由于多种因素的影响，常出现焊接应力、变形问题。焊接应力和焊接变形会对焊接结构性能造成一定程度影响，例如强度、精度、稳定性以及抗腐蚀性等[1]。同时，严重的焊接变形问题还会提高工艺制造难度，延长生产周期，增加成本消耗，造成资源浪费。基于此，本文就焊接变形问题及控制方法进行综述。
1.焊接变形原因及分类
焊接过程中，结构所受到的不均匀热量是导致焊接变形的主要原因。除此之外，包括材料类型的不同、制造工艺、结构自身状况等因素对热源附近金属运动产生影响，最终造成焊接变形问题。焊接变形按照形态的不同可分为多类，常见的包括角变形、弯曲变形、错边变形以及波浪变形等。
2.焊接变形的影响因素
2.1材料因素
材料对焊接变形的影响较大，并且和母材密切相关，尤其是材料热物理性能及力学参数均对焊接变形产生直接影响[2]。热物理参数性能常表现在热传导系数方面，通常情况下热传导系数下降，温度梯度上升，越容易引起焊接变形。而力学性能参数在多个方面影响着焊接变形，其中热膨胀系数影响较为显著，热膨胀系数和焊接变形几率成正比。同时，材料在高温区的屈服极限、弹性模量和跟随温度变化率与焊接变形具有密切联系。通常弹性模量升高，其焊接变形也越少。但是屈服极限上升时，会导致残余应力增多，同时引起焊接结构中的变形能量增加，导致结构脆性上升，从而发生断裂。除此之外，因为塑性变形相对不多，塑性区域范围相对较小，所以焊接变形随之减少。
2.2结构因素
焊接变形中焊接结构的设计是最为关键的影响因素，对焊接变形影响较为复杂。从整体来看，当拘束度升高时，焊接残余变应力随之上升，对应减少了焊接变形的出现。焊接过程中，当结构出现变形时，工件拘束度呈持续变化趋势，自身转变为拘束状态，并受到外部拘束干扰。通常来说，复杂结构在焊接过程中自身拘束作用发挥了关键作用。同时随着结构复杂程度的增加，结构自身在焊接时的拘束度随之上升。焊接结构设计过程中，为了确保结构的可靠性和稳定性，通常要使用加强板或者筋板。但这样一方面会大量增加焊接工作和装配内容，同时在加强板和筋板的部分位置，一旦拘束度出现改变，也会使控制焊接变形更为困难。因此，在设计结构时，需要深入优化结构板厚度，控制加强筋和筋板数量，合理合计加强筋、筋板位置，有利于降低焊接变形几率。
2.3工艺因素
焊接工艺从多方面影响着焊接变形，常见的包括焊接方法、构件定位、夹具使用、胎架焊接以及焊接顺序等[3]。在工艺方面的各种影响因素中，焊接变形受到焊接顺序的影响较为显著，通过对焊接顺序进行适当改变，能够促使残余应力位置发生变化，同时改变残余应力状态，继而有利于降低焊接变形风险。除此之外，焊接变形也受到多层焊接和焊接工艺参数等因素的影响。
3.焊接变形的控制方法
3.1设计方面
3.1.1合理选择焊缝大小及形状
对于板厚较大的对接接头，以往较多使用V形坡口，目前可使用X形坡口进行替代。因为在板达到一定厚度后，在熔敷金属量方面，X形坡口对比V形坡口可少接近一半。若对接接头板厚更大时，可直接采用U形或者双U形坡口，甚至也可进行窄间隙神坡口焊缝，有利于避免焊接变形出现。当结构承载能力得到足够的保证下，应尽可能的减小焊缝大小。对于T形焊接接头，当不需要计算强度时，可在保证工艺合理的前提下，最大限度缩小焊缝焊脚大小。与此同时，在选择最小的焊脚后，采取断续焊缝相较于连续，可更好的避焊接变形。十字接头或者T型接头通常所受的力更大，在确保同等的强度基础上，开坡口角焊缝相较于常规角焊缝，能够最大限度减少金属焊缝，防止发生焊接变形。对于通过计算得到的T形接头角焊缝，可尽量选择连续焊缝，避免选择和连续焊缝强度相同的断续焊缝。同时应尽量选择双面连续焊缝，避免选择强度相同的单面连续焊缝，这样做有利于缩小焊缝焊脚大小。
3.1.2尽量减少焊缝数量
在焊接结构的设计过程中，应最大限度减少焊缝数量，减少多余的焊缝。同时可以尽可能多的使用型钢、冲压件来代替焊接件。比如对于筋板结构，可以使用压型结构进行代替，可有效的避免薄板变形。若结构件本身要求较低，也可根据情况增加一定平板厚度，可减少对筋板的使用量，继而降低焊接变形矫正量。
3.1.3使用合适的结构形式，科学分布焊缝位置
在焊接的过程中，使焊缝尽量和横截面中心轴线相对称，亦或者使焊缝尽量接近中心轴线，能够最大限度避免结构弯曲变形。这是因为当焊缝主要分布在中心轴线一边时，易导致较大的变形弯曲，因此尽可能的采取对称状态[4]。在焊缝收缩过程中，纵向相较于横向明显更小，所以对于焊缝位置的选择，尽量使其分布在平行于对焊缝变形要求不高的方向。采取分部件焊接方法，将结构分部件焊接可行性作为设计的重点考虑方向，同时要保证部件总装时焊接工作量增加，避免总装出现焊接变形。
3.2工艺方面
3.2.1采取合适的焊接方法
在选择焊接方法时，尽量采取高能量密度方法，常见的包括二氧化碳气体保护焊、手工点弧焊以及等离子弧焊等，此类方法适用于薄板焊接，可极大程度避免焊接变形。虽然通过降低焊接线能量可减少一定的焊接变形，但在工作实践中，考虑到生产速度等因素后，不能过多降低焊接线能量。若焊接构件呈不对称状态，在焊接时选择不同的焊接参数，继而减少弯曲变形量。
3.2.2采取科学的焊接装配顺序
装配构建时，侧面中心位置持续改变，焊接变形也随之改变。根据这一特征可以将结构适当分为多个部件，独立进行焊装，这样有利于收缩较大或者不对称的焊缝充分收缩，减少结构整体受到的影响，最后焊装为整体。并且这样做若后期需要矫正时也更为容易。
3.2.3控制焊接热输入
通常情况下，热输入较大时，加热高温区面积较大，冷却速度减慢，导致接头塑性更容易出现变形。因此对于屈服强度在345MPa以下且淬硬性一般的构件，要尽量给予较小的热输入，可以先采取热传入更小的焊接方法，例如二氧化碳气体保护焊或利用冷却装置在焊接过程中降低热输入。
结束语
焊接变形问题对产品多方面造成极大的影响，直接导致产品质量下降。所以有必要了解焊接变形问题，掌握焊接变形影响因素，采取针对性的控制措施。随着未来焊接技术的不断完善，控制焊接變形方法逐渐改进，将会更加有效的避免焊接变形，从而减小其引起的损失。
参考文献
[1]康丽齐， 孙志鹏， 王香，等. 基于TRIZ理论的车体焊接变形控制方法[J]. 城市轨道交通研究， 2020， 23（4）：9-12+31.
[2]郐忠和. 分析不锈钢薄板焊接变形影响因素与控制方法[J]. 湖北农机化， 2020， （5）：156.
[3]刘卫. 厚壁不锈钢管道焊接变形分析及控制方法[J]. 石油和化工设备， 2019， 22（4）：109-110.
[4]畅杰. 浅谈桥梁制造中焊接变形的分析及控制[J]. 焊接技术， 2020， 49（5）：135-137.
作者信息：
第一作者 刘皓 1992.11.10 男 陕西西安 汉 硕士研究生 助理工程师 研究方向：材料加工工程
第二作者 李玉杨 1980.05.11 男 陕西西安 汉 硕士研究生 高级工程师 研究方向：机械加工工程
第三作者 范喜祥 1988.07.19 男 陕西西安 汉 硕士研究生 工程师 研究方向：机械加工工程
关键词：焊接;变形;控制方法
焊接是对结构局部进行加热的一种工艺方法，在焊接过程中以及焊接结束后，由于多种因素的影响，常出现焊接应力、变形问题。焊接应力和焊接变形会对焊接结构性能造成一定程度影响，例如强度、精度、稳定性以及抗腐蚀性等[1]。同时，严重的焊接变形问题还会提高工艺制造难度，延长生产周期，增加成本消耗，造成资源浪费。基于此，本文就焊接变形问题及控制方法进行综述。
1.焊接变形原因及分类
焊接过程中，结构所受到的不均匀热量是导致焊接变形的主要原因。除此之外，包括材料类型的不同、制造工艺、结构自身状况等因素对热源附近金属运动产生影响，最终造成焊接变形问题。焊接变形按照形态的不同可分为多类，常见的包括角变形、弯曲变形、错边变形以及波浪变形等。
2.焊接变形的影响因素
2.1材料因素
材料对焊接变形的影响较大，并且和母材密切相关，尤其是材料热物理性能及力学参数均对焊接变形产生直接影响[2]。热物理参数性能常表现在热传导系数方面，通常情况下热传导系数下降，温度梯度上升，越容易引起焊接变形。而力学性能参数在多个方面影响着焊接变形，其中热膨胀系数影响较为显著，热膨胀系数和焊接变形几率成正比。同时，材料在高温区的屈服极限、弹性模量和跟随温度变化率与焊接变形具有密切联系。通常弹性模量升高，其焊接变形也越少。但是屈服极限上升时，会导致残余应力增多，同时引起焊接结构中的变形能量增加，导致结构脆性上升，从而发生断裂。除此之外，因为塑性变形相对不多，塑性区域范围相对较小，所以焊接变形随之减少。
2.2结构因素
焊接变形中焊接结构的设计是最为关键的影响因素，对焊接变形影响较为复杂。从整体来看，当拘束度升高时，焊接残余变应力随之上升，对应减少了焊接变形的出现。焊接过程中，当结构出现变形时，工件拘束度呈持续变化趋势，自身转变为拘束状态，并受到外部拘束干扰。通常来说，复杂结构在焊接过程中自身拘束作用发挥了关键作用。同时随着结构复杂程度的增加，结构自身在焊接时的拘束度随之上升。焊接结构设计过程中，为了确保结构的可靠性和稳定性，通常要使用加强板或者筋板。但这样一方面会大量增加焊接工作和装配内容，同时在加强板和筋板的部分位置，一旦拘束度出现改变，也会使控制焊接变形更为困难。因此，在设计结构时，需要深入优化结构板厚度，控制加强筋和筋板数量，合理合计加强筋、筋板位置，有利于降低焊接变形几率。
2.3工艺因素
焊接工艺从多方面影响着焊接变形，常见的包括焊接方法、构件定位、夹具使用、胎架焊接以及焊接顺序等[3]。在工艺方面的各种影响因素中，焊接变形受到焊接顺序的影响较为显著，通过对焊接顺序进行适当改变，能够促使残余应力位置发生变化，同时改变残余应力状态，继而有利于降低焊接变形风险。除此之外，焊接变形也受到多层焊接和焊接工艺参数等因素的影响。
3.焊接变形的控制方法
3.1设计方面
3.1.1合理选择焊缝大小及形状
对于板厚较大的对接接头，以往较多使用V形坡口，目前可使用X形坡口进行替代。因为在板达到一定厚度后，在熔敷金属量方面，X形坡口对比V形坡口可少接近一半。若对接接头板厚更大时，可直接采用U形或者双U形坡口，甚至也可进行窄间隙神坡口焊缝，有利于避免焊接变形出现。当结构承载能力得到足够的保证下，应尽可能的减小焊缝大小。对于T形焊接接头，当不需要计算强度时，可在保证工艺合理的前提下，最大限度缩小焊缝焊脚大小。与此同时，在选择最小的焊脚后，采取断续焊缝相较于连续，可更好的避焊接变形。十字接头或者T型接头通常所受的力更大，在确保同等的强度基础上，开坡口角焊缝相较于常规角焊缝，能够最大限度减少金属焊缝，防止发生焊接变形。对于通过计算得到的T形接头角焊缝，可尽量选择连续焊缝，避免选择和连续焊缝强度相同的断续焊缝。同时应尽量选择双面连续焊缝，避免选择强度相同的单面连续焊缝，这样做有利于缩小焊缝焊脚大小。
3.1.2尽量减少焊缝数量
在焊接结构的设计过程中，应最大限度减少焊缝数量，减少多余的焊缝。同时可以尽可能多的使用型钢、冲压件来代替焊接件。比如对于筋板结构，可以使用压型结构进行代替，可有效的避免薄板变形。若结构件本身要求较低，也可根据情况增加一定平板厚度，可减少对筋板的使用量，继而降低焊接变形矫正量。
3.1.3使用合适的结构形式，科学分布焊缝位置
在焊接的过程中，使焊缝尽量和横截面中心轴线相对称，亦或者使焊缝尽量接近中心轴线，能够最大限度避免结构弯曲变形。这是因为当焊缝主要分布在中心轴线一边时，易导致较大的变形弯曲，因此尽可能的采取对称状态[4]。在焊缝收缩过程中，纵向相较于横向明显更小，所以对于焊缝位置的选择，尽量使其分布在平行于对焊缝变形要求不高的方向。采取分部件焊接方法，将结构分部件焊接可行性作为设计的重点考虑方向，同时要保证部件总装时焊接工作量增加，避免总装出现焊接变形。
3.2工艺方面
3.2.1采取合适的焊接方法
在选择焊接方法时，尽量采取高能量密度方法，常见的包括二氧化碳气体保护焊、手工点弧焊以及等离子弧焊等，此类方法适用于薄板焊接，可极大程度避免焊接变形。虽然通过降低焊接线能量可减少一定的焊接变形，但在工作实践中，考虑到生产速度等因素后，不能过多降低焊接线能量。若焊接构件呈不对称状态，在焊接时选择不同的焊接参数，继而减少弯曲变形量。
3.2.2采取科学的焊接装配顺序
装配构建时，侧面中心位置持续改变，焊接变形也随之改变。根据这一特征可以将结构适当分为多个部件，独立进行焊装，这样有利于收缩较大或者不对称的焊缝充分收缩，减少结构整体受到的影响，最后焊装为整体。并且这样做若后期需要矫正时也更为容易。
3.2.3控制焊接热输入
通常情况下，热输入较大时，加热高温区面积较大，冷却速度减慢，导致接头塑性更容易出现变形。因此对于屈服强度在345MPa以下且淬硬性一般的构件，要尽量给予较小的热输入，可以先采取热传入更小的焊接方法，例如二氧化碳气体保护焊或利用冷却装置在焊接过程中降低热输入。
结束语
焊接变形问题对产品多方面造成极大的影响，直接导致产品质量下降。所以有必要了解焊接变形问题，掌握焊接变形影响因素，采取针对性的控制措施。随着未来焊接技术的不断完善，控制焊接變形方法逐渐改进，将会更加有效的避免焊接变形，从而减小其引起的损失。
参考文献
[1]康丽齐， 孙志鹏， 王香，等. 基于TRIZ理论的车体焊接变形控制方法[J]. 城市轨道交通研究， 2020， 23（4）：9-12+31.
[2]郐忠和. 分析不锈钢薄板焊接变形影响因素与控制方法[J]. 湖北农机化， 2020， （5）：156.
[3]刘卫. 厚壁不锈钢管道焊接变形分析及控制方法[J]. 石油和化工设备， 2019， 22（4）：109-110.
[4]畅杰. 浅谈桥梁制造中焊接变形的分析及控制[J]. 焊接技术， 2020， 49（5）：135-137.
作者信息：
第一作者 刘皓 1992.11.10 男 陕西西安 汉 硕士研究生 助理工程师 研究方向：材料加工工程
第二作者 李玉杨 1980.05.11 男 陕西西安 汉 硕士研究生 高级工程师 研究方向：机械加工工程
第三作者 范喜祥 1988.07.19 男 陕西西安 汉 硕士研究生 工程师 研究方向：机械加工工程