焊接变形理论

2.1 焊接变形的产生

焊接是将两部分同质或非同质的材料，利用原子间的联系及质点的扩散作用，通过加热、加压或加热的同时加压，以形成永久性连接的方法。焊接方法主要分为熔化焊接、固相焊接和钎焊[21]。焊接时，由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生焊接应力与变形。焊接变形使结构的形状和尺寸精度难以达到技术要求，直接影响结构制造质量和使用性能。

2.1.1 焊接变形的基本知识

物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变化，这种变化称为物体的变形。当使物体产生变形的外力或其他因素去除后变形也随之消失，物体可恢复原状，这样的变形称为弹性变形。当外力或其他因素去除后变形仍然存在，物体不能恢复原状，这样的变形称为塑性变形。物体的变形还可按拘束条件分为自由变形和非自由变形。在非自由变形中，有外观变形和内部变形两种。

以一根金属杆的变形为例，当温度为时，其长度为，均匀加热，温度上升到时，如果金属杆不受阻，杆的长度会增加至，其长度的改变，就是自由变形，如图2-1（a）所示。如果金属杆的伸长受阻，则变形量不能完全表现出来，就是非自由变形。其中，把能表现出来的这部分变形称为外观变形，用 表示；而未表现出来的变形称为内部变形，用 表示。在数值上， ，如图2-1（b）所示。

图2-1   金属杆件的变形         

                                                   
         （a）自由变形；（b）非自由变形。

单位长度的变形量称为变形率，自由变形率用表示，其数学表达式为

                       （2-1）
式中：为金属的线膨胀系数，它的数值随材料及温度而变化。外观变形率可表示为
                                      （2-2）
同样，内部变形率可表示为                  （2-3）
     由焊接而引起的焊件尺寸的改变称为焊接变形。

2.1.2 研究焊接变形的基本假定

金属在焊接过程中，其物理性能和力学性能都会发生变化，给焊接应力的认识和确定带来了很大的困难，为了后面分析问题方便，对金属材料焊接变形作以下假定。

1.平截面假定

假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。即构件只发生伸长、缩短、弯曲，其横截面只发生平移或偏转，截面本身并不变形。

2. 金属性质不变的假定

假定在焊接过程中材料的某些热物理性质，如线膨胀系数（）、热熔（）、热导率（）等均不随温度而变化。

1． 金属屈服点假定

图2-2   低碳钢的屈服点与温度的关系

低碳钢屈服点与温度的实际关系如图2-2实线所示，为了讨论问题的方便，将它简化为图中虚线所示。即在500℃以下，屈服点与常温下相同，不随温度而变化；500℃至600℃之间，屈服点迅速下降；600℃以上时呈全塑性状态，即屈服点为零。把材料屈服点为零时的温度称为塑性温度。

4.焊接温度场假定

通常将焊接过程中的某一瞬间焊接接头中各点的温度分布称为温度场。在焊接热源作用下构件上各点的温度不断地变化，可以认为达到某一极限热状态时，温度场不再改变，这时的温度场称为极限温度场。

2.1.3 焊接变形产生的原因

产生焊接变形的因素很多，其中最根本的原因是焊件受热不均匀，其次是由于焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件的刚度不同所致。另外，焊缝在焊接结构中的位置、装配焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接变形也有一定的影响。

1. 焊件的不均匀受热

金属的焊接时一个局部加热过程，焊件上的温度分布极不均匀，为了便于了解不均匀受热时变形的产生，下面对金属在不同条件下产生的变形进行讨论。

1）不受约束的杆件在均匀加热时的变形

根据前面对变形知识的讨论，不受约束的杆件在均匀加热与冷却时，其变形属于自由变形，因此在杆件加热过程中不会产生任何内应力，冷却后也不会有任何残余变形。

1）受约束的杆件在均匀加热时的变形

根据前面对非自由变形情况的讨论，受约束杆件的变形属于非自由变形，既存在外观变形，也存在内部变形。如果加热温度较低（），材料处于弹性范围内，则在加热过程中杆件的变形全部为弹性变形，杆件内部存在压应力的作用。当温度恢复到原始温度时，杆件自由收缩到原来的长度，压应力全部消失，既不存在残余变形也不存在残余应力。把压应力达到屈服时的温度称为屈服点温度。

如果加热温度较高，达到或超过材料屈服点温度（）时，则杆件中产生压缩塑性变形，内部变形由弹性变形和塑性变形两部分组成，甚至全部由塑性变形组成（ 600℃）。①如果杆件能充分自由收缩，那么杆件中只出现残余变形而无残余应力；②如果杆件受绝对约束，那么杆件中没有残余变形而存在较大的残余应力；③如果杆件收缩不充分，那么杆件中既有残余应力又有残余变形。实际生产中的焊件，就是上述的第三种情况。

3）长板条中心加热引起的变形

如图2-3（a）所示的长度为 ，厚度为 的长方体，材料为低碳钢，在其中间沿长度方向上进行加热。为简化讨论，将板条上的温度为分两种：中间高温区，其温度均匀一致；两边为低温区，其温度也均匀一致。

图2-3钢板条中心加热和冷却时的应力与变形

（a）原始状态；（b）、（c）加热过程；（d）、（e）冷却以后

加热时，如果板条的高温区与低温区是可分离的，高温区将伸长，低温区不变，如图2-3（b）所示，但实际上板条是一个整体，所以板条将整体伸长，此时高温区内产生较大的压缩塑性变形和压缩弹性变形，如图2-3（c）所示。

冷却时，由于压缩塑性变形不可恢复，所以，如果高温区与低温区是可分离的，高温区压缩短，低温区应恢复原长，如图2-3（d）所示。但实际上板条是一个整体，所以板条将整体压缩，这就是板条的残余变形，如图2-3（e）所示。同时在板条内部也产生了残余应力，中间高温区为拉应力，两侧低温区为压应力。

4）长板条一侧加热引起的变形

如图2-4（a）所示的材质均匀的钢板，在其上边缘快速加热。假设钢板由许多互不相连的窄条组成，则各窄条在加热时将按温度高低而伸长，如图2-4（b）所示。但实际上，板条是一个整体，各板条之间是相互牵连、相互影响的，上一部分金属因受下一部分金属的阻碍作用而不能自由伸长，因此产生了压缩塑性变形。由于钢板上的温度分布自上而下逐渐降低，因此，钢板产生了向下的弯曲变形，如图2-4所示。

图2-4   钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形

（a）原始状态；（b）假设各板条得伸长；（c）加热后的变形；
（d）假设各板条得收缩；（e）冷却后的变形。

钢板冷却后，各板条的收缩应如图2-4（d）所示，但实际上钢板是一个整体，上一部分金属要受下一部分金属的阻碍作用而不能自由收缩，所以钢板产生了与加热时相反的残余弯曲变形，如图2-4（e）所示。

2. 焊缝金属的收缩

当焊缝金属冷却，由液态转为固态，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的，因此焊缝金属并不能自由收缩，这将引起整个焊件的变形。另外，一条焊缝是逐步形成的，焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩，由此也会产生焊接变形。

3.金属组织的变化

钢在加热及冷却过程中发生相变可得到不同的组织，这些组织的比体积不一样，由此也会造成焊接变形。

4.焊接的刚度和拘束

焊件的刚性和拘束对焊接变形也有较大的影响。刚性是指焊件抵抗变形的能力，而拘束是焊件周围物体对焊件变形的约束。焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小；反之，焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大。

2.2 焊接变形的种类及其影响因素

焊接变形在焊接结构中的分布是很复杂的。按变形对整个焊接结构的影响程度可将焊接变形分为局部变形和整体变形；按照变形的外观形态来分，可将焊接变形分为图2-5所示的5种基本变形形式：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。这些基本变形形式的不同组合，形成了实际生产中焊件的变形。

2.2.1 收缩变形

焊件尺寸比焊前缩短的现象称为收缩变形。它分为纵向收缩变形和横向收缩变形，如图2-6所示。

1）纵向收缩变形

纵向收缩变形即沿焊缝轴线方向尺寸的收缩。这是由于焊缝及其附近区域在焊接高温的作用下产生纵向的压缩塑性变形，焊后这个区域要收缩，便引起了焊件的纵向收缩变形。

图2-5   焊接变形的基本变形形式

（a）收缩变形；（b）角变形；（c）弯曲变形；（d）波浪变形；（e）扭曲变形。

纵向收缩变形量取决于焊缝长度、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等。焊件的截面积越大，焊件的纵向收缩量越小。焊缝的长度越长，焊件的纵向收缩量越大。从这个角度考虑，在受力不大的焊接结构内，采用间断焊缝代替连续焊缝，是减小焊件纵向收缩变形的有效措施。

压缩塑性变形量与焊接方法、焊接参数、焊接顺序以及母材的热物理性质有关，其中以热输入影响最大。在一般情况下，压缩塑性变形量与热输入成正比。同样截面形状和大小的焊缝，可以一次焊成，也可以采用多层焊。多层焊每次所输用的热输入比单层焊时要小得多，因此，多层焊时每层焊缝所产生的（压缩塑性变形区面积）比单层焊时小。但多层焊所引起的总变形量并不等于各层焊缝的之和，因为各层所产生的塑性变形区面积是相互重叠的。图2-7所示为单层焊和双层焊对接接头塑性变形区示意图。单层焊的塑性变形区面积为 ；双层焊第一层焊道产生的塑性变形区为 ，第二层的塑性变形区为 。由此可以得出结论，对截面相同的焊缝，采用多层焊引起的纵向收缩量比单层焊小，分的层数越多，每层的热输入越小，纵向收缩量就越小。
           
       图2-6   纵向和横向收缩变形          图2-7 单层焊和双层焊的塑性变形区对比
                                         

（a）单层焊（b）双层焊

                                                                    为第一层焊缝产生的塑性变形区；
                                                                    为第二层焊缝产生的塑性变形区。

焊件的原始温度对焊件的纵向收缩也有影响。一般来说，焊件的原始温度越高，相当于热输入增大，焊后纵向受缩量增大。但是，当焊件原始温度高到某一程度，可能会出现相反的情况，因为随着原始温度的提高，焊件上的温度差减小，温度趋于均匀化，压缩塑性变形率下降，可使压缩塑性变形量减少，从而使纵向收缩量减小。

焊件材料的线膨胀系数对纵向收缩量也有一定的影响，线膨胀系数大的材料，焊后纵向收缩量大，如不锈钢和铝比碳素钢焊件的收缩量大。

2） 横向收缩变形

横向收缩变形指沿垂直于焊缝轴线方向尺寸的缩短。构件焊接时，不仅产生纵向收缩变形，同时也产生横向收缩变形，如图2-6中的 。产生横向收缩变形的过程比较复杂，影响因素很多，如热输入、接头形式、装配间隙、板厚、焊接方法以及焊件的刚性等，其中以热输入、装配间隙、接头形式等的影响最为明显。

不管何种接头形式，其横向收缩变形量总是随焊接热输入增大而增加。装配间隙对横向焊接收缩变形量的影响也较大，且情况复杂。一般来说，随着装配间隙的增大，横向收缩也增大。

两块平板，中间留有一定间隙的对接焊，如图2-8所示。焊接时，随着热源对金属的加热，对接边产生膨胀，焊接间隙减少。焊后冷却时，由于焊缝金属很快凝固，阻碍平板两对接边的恢复，产生横向收缩变形。

如果两板对接焊时不留间隙，如图2-9所示。加热时板的膨胀引起板边挤压，使之在厚度方向上增厚，冷却时也会产生横向收缩变形，但其横向收缩变形量小于有间隙的情况。另外，横向收缩量沿焊缝长度方向分布不均匀，因为一条焊缝是逐步形成的，先焊的焊缝冷却收缩对后焊的焊缝有一定挤压作用，使后焊的焊缝横向收缩量更大。一般地，焊缝的横向收缩沿焊接方向是由小到大，逐渐增大到一定程度后变趋于稳定。由于这个原因，生产中常常将一条焊缝的两端头间隙取不同值，后半部比前半部要大1mm~3mm。
         
图2-8   带间隙平板对接焊的             图2-9 无间隙平板对接焊的
             横行收缩变形过程                       横行收缩变形过程

横向收缩的大小还与装配后定位焊和装夹情况有关，定位焊缝越长，装夹的拘束程度越大，横向收缩变形量就越小。

对接接头的横向收缩量是随焊缝金属量的增加而增大的；热输入、板厚和坡口角度增大，横向收缩量也增加，而板厚的增大使接头的刚度增大，又可以限制焊缝的横向收缩。另外，多层焊时，先焊的焊道引起的横向收缩较明显，后焊焊道引起的横向收缩逐层减小。焊接方法对横向收缩量也有影响，如相同尺寸的构件，采用埋弧焊比采用焊条电弧焊其横向收缩量小；气焊的收缩量比电弧焊的大。

角焊缝的横向收缩要比对接焊缝的横向收缩小得多。同样的焊缝尺寸，板越厚，横向收缩变形越小。

2.2.2 角变形

中厚板对接焊、堆焊、搭接焊及形接头焊接时，都可能产生角变形，角变形产生的根本原因是由于焊缝的横向收缩沿板厚分布不均匀所致。焊缝接头形式不同，其角变形的特点也不同，如图2-10所示是几种焊接接头的角变形。就堆焊或对接而言，如果钢板很薄，可以认为在钢板厚度方向上的温度分布是均匀的，此时不会产生角变形。但在焊接（单面）较厚钢板时，在钢板厚度方向上的温度分布是不均匀的。温度高的一面受热膨胀较大，另一面膨胀较小甚至不膨胀。由于焊接面膨胀受阻，出现较大的压缩塑性变形，这样，冷却时在钢板厚度方向上产生收缩不均匀的现象，焊接钢板一面收缩大，另一边收缩小，故冷却后平板产生角变形。

图2-10   几种接头的角变形

（a）堆焊；（b）T形接头；（c）对接接头

角变形的大小与焊接热输入、板厚等因素有关，当然也与焊件的刚性有关。当热输入一定时，板厚越大，厚度方向上的温差越大，角变形越大。但当板厚增大到一定程度，此时构件的刚度增大，抵抗变形的能力增强，角变形反而减小。另外，板厚一定，热输入增大，压缩塑性变形量增加，角变形也增加。但热输入增大到一定程度，堆焊面与背面的温差减小，角变形反而减小。

对接接头角变形主要与坡口形式、坡口角度、堆焊方式有关。坡口截面不对称的焊缝，其角变形大，因而用形坡口代替形坡口，有利于减小角变形；坡口角度越大，焊缝横向收缩沿板厚分布越不均匀，角变形越大。同样板厚和坡口形式下，多层焊比单层焊角变形大，焊接层数越多，角变形越大。多层多道焊比多层焊角变形大。

另外，坡口截面对称，采用不同的焊接顺序，产生的角变形大小也不相同，图2-11（a）所示为 形坡口对接接头，先焊完一面后翻转再焊另一面，焊第二面时所产生的角变形不能完全抵消第一面产生的角变形，最终产生一定的残余角变形。如果采用正反面各层对称交替焊，如图2-11（b）所示，这样正反面的角变形可相互抵消。但这种方法其焊件翻转次数比较多，不利于提高生产率。比较好的办法是，现在一面少焊几层，然后翻转过来焊满另一面，使其产生的角变形稍大于先焊的一面，最后再翻转过来焊满第一面，如图2-11（c）所示，这样就能以最少的翻转次数来获得最小的角变形。非对称坡口的焊接如图2-11（d）所示，应先焊焊接量少的一面，后焊焊接量多的一面，并且注意每一层的焊接方向应相反。

图2-11   角变形与焊接顺序的关系

（a）对称坡口非对称焊；（b）对称坡口对称交替焊；（c）对称坡口非对称焊；（d）非对称坡口非对称焊；
薄板焊接时，正面与背面的温差小，同时薄板的刚度小，焊接过程中，在压应力作用下易产生失稳，使角变形方向不定，没有明显规律性。

形接头（图2-12（a））角变形可以看成是由立板相对于水平板的回转与水平板本身的角变形两部分组成。 形接头不开坡口焊接时，其立板相对于水平板的回转相当于坡口为90°的对接接头，产生的角变形为 ，如图2-12（b）所示；水平板本身的角变形相当于水平板上堆焊引起的角变形 ，如图2-12（c）所示。这两种角变形综合的结果使 形接头两板间的角度发生如图2-12（d）所示的变化。

图2-12   T形接头的角变形

为了减小形接头的角变形，可通过开坡口来减小立板与水平板间的焊缝夹角，降低值；还可通过减小焊脚尺寸来减少焊缝金属量，降低值。

2.2.3 弯曲变形

弯曲变形是由于焊缝的中心线与结构截面的中性轴不重合或不对称，焊缝的收缩沿构件宽度方向分布不均匀引起的。弯曲变形分两种：焊缝纵向收缩引起的弯曲变形和焊缝横向收缩引起的弯曲变形。

（1） 纵向收缩引起的弯曲变形

图2-13所示为不对称布置焊缝的纵向收缩引起的弯曲变形。对于纵向收缩引起的弯曲变形类似于在构件上作用一假想的偏心力 ，在 的作用下构件缩短并产生弯曲变形，其弯矩 ，由此引起的挠度 可用下式求得：
                 
式中：为弯曲变形挠度（cm）； 为弹性模量（ ）； 为焊件长度（cm）； 为假想的纵向收缩力（ ）； 为焊件截面惯性矩（cm4）； 为塑性变形区的中心线到焊件截面中性轴的距离，即偏心距（cm）。

从式中可以看出，弯曲变形（挠度）的大小与焊缝在结构中的偏心距 及假想的纵向收缩力 成正比，与焊件的刚度 成反比。而假想偏心力又与压缩塑性变形区有关，凡影响压缩塑性变形区的因素均影响偏心力 的大小。偏心距 越大，弯曲变形越严重。焊缝位置对称或接近于截面中性轴，则弯曲变形就比较小。

（2） 横向收缩引起的弯曲变形

焊缝的横向收缩在结构上分布不对称时，也会引起构件的弯曲变形。如工字梁上布置若干短肋板（图2-14），由于肋板与腹板及肋板与上翼板的角焊缝均匀分布于结构中性轴的上部，它们的横向收缩将引起工字梁的下挠变形。
     
图2-13   焊缝的纵向收缩引起的弯曲变形         图2-14   焊缝横行收缩引起的弯曲变形

2.2.4 波浪变形

波浪变形常发生于板厚小于6mm的薄板焊接结构中，又称之为失稳变形。大面积平板拼接，如船体甲板、大型油罐底板等，极易产生波浪变形。

防止波浪变形可从两方面着手：一是降低焊接残余压应力，如采用能使塑性变形区小的焊接方法，选用较小的焊接热输入等；二是提高焊件失稳临界应力，如给焊件增加肋板，适当增加焊件的厚度等。

焊接角变形也可能产生类似的波浪变形。如图2-15所示，采用大量肋板的结构，每块肋板的角焊缝引起的角变形，连贯起来就造成波浪变形。这种波浪变形与失稳的波浪变形有本质的区别，要有不同的解决办法。

2.2.5 扭曲变形

产生扭曲变形的原因只要是焊缝的角变形沿焊缝长度方向分布不均匀。如图2-16所示的工字梁，若按图示1~4的顺序和方向焊接，则会产生图示的扭曲变形，这主要是角变形沿焊缝长度逐渐增大的结果。如果改变焊接顺序和方向，使两条相邻的焊缝同时向同一方向焊接，就会克服这种扭曲变形。
             
图2-15   焊接角变形引起的波浪变形                图2-16   工字梁的扭曲变形

以上5中变形是焊接变形的基本形式，在这5种基本变形中，最基本的是收缩变形，收缩变形再加上不同的影响因素，就构成了其他4中基本变形形式。焊接结构的变形对焊接结构生产有极大的影响。首先，零件或部件的焊接残余变形，给装配带来了困难，进而影响后续焊接的质量。其次，过大的焊接残余变形还要进行矫正，增加了结构的制造成本；另外，焊接变形也会降低焊接接头的性能和承载能力。因此，在实际生产中，必须设法控制焊接变形，使焊接变形控制在技术要求所允许的范围之内。

2.3 控制焊接变形的措施

在焊接过程中,由于不均匀加热和冷却,焊接区在纵向和横向收缩时,势必导致构件产生变形。在生产过程中，我们经常会遇到构件焊接以后内部产生焊接残余应力，同时产生焊接变形。当承受外载后，焊接应力与外载应力相叠加，造成局部区域应力过高，使构件产生新的塑性变形，从而生成裂纹；焊接变形过大也影响使用。减少和降低焊接变形，是保证焊接质量的必要环节之一。从焊接结构的设计开始，就应考虑控制焊接变形可能采取的措施。进入生产阶段，可采用预防焊接变形的措施，以及在焊接过程中适当的工艺措施。

2.3.1 设计措施

1） 选择合理的焊缝形状和尺寸

(1) 选择最小的焊缝尺寸。   在保证结构有足够承载能力的前提下，应采用尽量小的焊缝尺寸。尤其是角焊缝尺寸，最容易盲目加大。焊接结构中有些仅起联系作用或受力不大，并经强度计算尺寸甚小的角焊缝，应按板厚选取工艺上可能的最小尺寸。

对受力较大的形或十字接头，在保证强度相同的条件下，采用开坡口的焊缝比不开坡口的一般角焊缝可减少焊缝金属，对减小角变形有利，如图2-17所示。

(2) 选择合理的坡口形式。   相同厚度的平板对接，开 形坡口焊缝的角变形大于双 形坡口焊道。因此，具有翻转条件的结构，宜选用两面对接的坡口形是。 形接头立板端开 形坡口比开单边 形坡口角变形小，如图2-18所示。
               
图2-17   相同承载能力的十字接头                图2-18   T形接头的坡口
（a）不开坡口；（b）开坡口。               （a）角变形大；（b）角变形小。

2） 减少焊缝的数量

只要条件允许，多采用型材、冲压件。在焊缝多且密集处，采用铸—焊联合结构，就可以减少焊缝数量。此外，适当增加壁板厚度，以减少肋板数量，或者采用压形结构代替肋板结构，都多防止薄板结构的变形有利。

3） 合理安排焊缝位置

梁、柱等焊接构件常因焊缝偏心布置而产生弯曲变形。合理的设计应尽量把焊缝安排在结构截面的中性轴上或靠近中性轴，力求在中性轴两侧的变形大小相等方向相反，起到相互抵消作用。图2-19所示的箱形结构，图2-19（a）的焊缝集中于中性轴一侧，弯曲变形大，图2-19（b）（c）的焊缝安排合理。图2-20（a）的肋板设计使焊缝多数集中在截面的中性轴下方，肋板焊缝的横向收缩将引起上挠的弯曲变形，改成2-20（b）的设计就能减小和防止这种变形。
       
图2-19   箱形结构的焊缝安排         图2-20   合理安排焊缝位置防止焊接变形
       （a）不合理；（b）合理；（c）合理。                    （a）不合理；（b）合理。

2.3.2 工艺措施

1） 留余量法

此方法就是在下料时，将零件的长度或宽度尺寸比设计尺寸适当加大，以补偿焊件的收缩。余量的多少可根据公式并结合生产经验来确定。留余量法主要是用于防止焊件的收缩变形。

2） 法变形法

此方法就是根据焊件的变形规律，焊前预先将焊件向着与焊接变形的相反方向进行人为的变形（反变形量与焊接变形量相等），使之达到抵消焊接变形的目的。此方法很有效，但必须准确的估计焊后可能产生的变形方向和大小，并根据焊接的结构特点和生产条件灵活的运用。

（1） 无外力作用下的反变形。   平板对接焊产生角变形时，可按图2-21（a）所示的方法；电渣焊产生的终端横向变形大于始端问题，可以在安装定位时，使接头的间隙下小上大，如图2-21（b）所示； 形接头焊后平板产生角变形，可以预先把平板压形，使之具有反方向的变形，然后进行焊接，如图2-21（c）所示；薄壁筒体对接从外侧单面焊时，产生接头向内凹德变形，可以预先在对接边缘做出向外弯边的反变形后进行焊接（2-21（d））。

图2-21   无外力作用下的反变形法

（a）平板对接焊；（b）电渣对接立焊；（c）工字梁翼板反变形；（d）壳体焊接的反变形；
（e）箱形梁上盖板预留收缩余量；（f）箱形梁腹板预制上拱度。
（2） 有外力作用下的反变形。   利用焊接胎具或夹具使焊件处在反向变形的条件下施焊，焊后松开胎夹具，焊件回弹后其形状和尺寸恰好达到技术要求。图2-22为利用简单的夹具做出平板的反变形以克服工字梁焊接引起的角变形；图2-23（a）、（b）、（c）、（d）所示的空心构件，均因焊缝集中于上侧，焊后将产生弯曲变形。采用如图2-23（e）所示的转胎，使两根相同截面的构件 “背靠背”，两端夹紧中间垫高，于是每根构件均处在反向弯曲情况下施焊。该转胎使施焊方便，而且还提高生产效率。运用外力作用下的反变形法需注意两个问题：
     
   图2-22   工字梁                              图2-23   弹性支撑法
上翼板强制反变形                 （a）、（b）、（c）具有单面纵向焊缝的空心梁；
                               （d）具有单面衡焊缝的空心梁；（e）在焊接转胎上焊接。

① 安全问题。所需外力应足够大。因此，所用的胎夹具必须保证强度和刚度。焊件是处在弹性状态下反变形，焊后仍处于弹性状态。松夹时焊件必须回弹，一定要防止回弹时伤人。

② 反变形量的控制最可靠的办法是用通常的焊接参数，在自由状态下试焊，测出其残余变形量，以此变形量做适当调整。做到焊件反弹后的形状和尺寸恰好就是焊接技术要求的形状和尺寸。
反变形法只要用于控制角变形和弯曲变形。

3） 刚性固定法

采用适当的方法来增加焊件的刚度和拘束度，可以达到减小其变形的目的，这就是刚性固定法。常用的刚性固定法有以下几种。

（１） 将焊件固定在刚性平台上。薄板焊接时，可将其用定位焊缝固定在刚性平台上，并且用压铁压住焊缝附近，如图2-24所示，待焊缝全部焊完冷却后，再铲除定位焊缝，这样可避免薄板焊接时产生波浪变形。

（２） 将焊件组合成刚度更大或对称的结构。如 形梁焊接时容易产生角变形和弯曲变形，图2-25所示为将两根 形梁组合在一起，使焊缝对称于结构截面的中性轴，同时大大地增加了结构的刚度，并配合反变形法（如图中所示采用垫铁），采用合理的焊接顺序，对防止弯曲变形和角变形有利。
   
图2-24   薄板拼接时的刚性固定           图2-25   T形梁的刚性固定与反变形

（３） 利用焊接夹具增加结构的刚度和拘束。图2-26所示为利用夹紧器将焊件固定，以增加构件的拘束，防止构件产生角变形和弯曲变形的应用实例。

（４） 利用临时支撑增加结构的拘束。单件生产中采用专用夹具，在经济上不合理。因此，可在容易发生变形的部位焊上一些临时支撑或拉杆，增加局部的刚度，能有效地减小焊接变形。图2-27所示为防护罩用临时支撑来增加拘束的应用实例。
   
图2-26   对接拼板时的刚性固定   图2-27   防护罩焊接时的临时支撑
               1—底板；2—立板；
                                                       3—缘口板；4—临时支撑。

4） 选择合理的装配焊接顺序

前面已经介绍，装配焊接顺序对焊接结构变形的影响是很大的，因此，在无法使用胎夹具的情况下施焊，一般都必须选择合理的装配和焊接顺序，使焊接变形减至最小。为了控制和减小焊接变形，装配焊接顺序应按以下原则进行。

（１） 大型而复杂的焊接结构，只要条件允许，把它分成若干个结构简单的部件，单独进行焊接，然后再总装成整体。这种“化整为零，集零为整”的装配焊接方案，其优点是：部件的尺寸和刚度已减小，利用胎夹具克服变形的可能性增加；交叉对称施焊要求焊件翻转与变位也变得容易；更重要的是，可以把影响总体结构变形最大的焊缝分散到部件中焊接，把它的不利影响减小或清除。注意，所划分的部件应易于控制焊接变形，部件总装时焊接量少，同时也便于控制总变形。

（２） 正在施焊的焊缝应尽量靠近结构截面的中性轴。如图2-28（a）所示的桥式起重机的主梁结构。梁的大部分焊缝处于箱形梁的上半部分，其横向收缩会引起梁下扰得弯曲变形，而梁的制造技术中要求该箱形主梁具有一定的上拱度，为了解决这一矛盾，除了前面讲的左右腹板预制上拱度外，还应该选择最佳的装配焊接顺序，使下挠的弯曲变形最小。

图2-28   主梁装配焊接

（a）n形梁结构示意图；（b）n形梁的装配焊接方案

根据该梁的结构特点，一般先将上盖板与两腹板装成ｎ形梁，最后装下盖板，组成封闭的箱形梁。ｎ形梁的装配焊接顺序是影响主梁上拱度的关键，应先将各肋板与上盖板装配，焊焊缝，然后同时装配两块腹板，焊和焊缝。这时产生的下挠弯曲变形最小。因为使ｎ形梁产生下挠弯曲变形的主要原因是焊缝的收缩，焊缝离ｎ形梁截面中性轴越近，引起弯曲变形越小。该方案中，在装配腹板之前焊焊缝，结构中性轴最低，因此焊缝距梁的截面中性轴最近，引起的下挠变形就小。因此，该方案是最佳的装配焊接顺序，也是目前类似结构在实际生产中广泛采用的一种方案。

（３） 对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧。如图2-29（a）所示压力机的压型上模，截面中性轴以上的焊缝对于中性轴以下的焊缝，装配焊接顺序不合理，最终将产生下挠的弯曲变形。解决的方法是先由两人队称焊接１和 焊缝（图2-29（b）），此时将产生较大的上拱弯曲变形 ，并增加了结构的刚度，再按图2-29（c）的位置焊接焊缝２和 ，产生下挠弯曲变形 ，最后按图2-29（d）的位置焊接焊缝３和 ，产生下挠弯曲变形 ，这样 近似等于这几项的和，弯曲变形基本相互抵消。

图2-29   压力机压型上模的焊接顺序

（a）压型上模结构图；（b）（c）（d）焊接顺序
（４） 焊缝对称布置的结构，应由偶数个焊工对称地施焊。如图2-30所示的圆筒体队称焊缝，应由两名焊工对称地施焊。

图2-30   圆筒体对接焊缝的焊接顺序

（５） 长焊缝（１ｍ以上）焊接时，可采用图2-31所示的方向和顺序进行焊接，以减小其焊后的收缩变形。

图2-31 长焊缝的几种焊接顺序

5） 合理的选择焊接方法和焊接参数

各种焊接方法的热输入不同，因而产生的变形也不一样。能量集中和热输入较低的焊接方法，可有效地降低焊接变形。用气体保护焊焊接中厚钢板的变形比用气焊和焊条电弧焊小得多，更薄的板可以采用钨极脉冲氩弧焊、激光焊等方法焊接。电子束焊的焊缝很窄，变形极小，适宜焊接一般精加工的焊件，焊后仍具有较高的精度。

焊接热输入是影响变形量的关键因素，当焊接方法确定后，可通过调节焊接参数来控制热输入。在保证熔透和焊缝无缺陷的前提下，应尽量采用小的焊接热输入。根据焊件结构特点，可以灵活地应用热输入对变形的影响规律，去控制变形。如图2-32所示的不对称截面梁，因焊缝１、２离结构截面中性轴的距离 大于焊缝３、４到中性轴的距离 ，所以焊后会产生下挠的弯曲变形。如果在焊接１、２焊缝时，采用多层焊，每层选择较小的热输入；焊接３、４焊缝时，采用单层焊，选择较大的热输入，这样焊接焊缝１、２时所产生的下挠变形与焊接焊缝３、４时所产生的上挠变形基本相互抵消，焊后基本平直。

6） 热平衡法

对于某些焊缝不对称布置的结构，焊后往往会产生弯曲变形。如果在与焊缝对称的位置上采用气体火焰与焊接同步加热，只要加热的工艺参数选择适当，就可以减小或防止构件的弯曲变形。如图2-33所示，采用热平衡法对箱形梁结构的焊接变形进行控制。
             
图2-32 非对称截面结构的焊接         图2-33   采用热平衡法防止焊接变形

7） 散热法

散热法就是利用各种方法将施焊处的热量迅速散走，减小焊缝及其附近的受热区，同时还使受热区的收热程度大大降低，达到减小焊接变形的目的。图2-34（a）所示为水浸发散热示意图，图2-34（b）所示为喷水法散热图，图2-34（c）所示为采用纯铜板中钻孔通水的散热垫法散热。

图2-34   散热法示意图

（a）水浸散热法；（b）喷水散热法；（c）散热垫散热法

以上所述为控制焊接变形的常用方法。在焊接结构的实际生产过程中，应充分估计各种变形，分析各种变形的规律，根据现场条件选用一种或几种方法，有效地控制焊接变形。

2.4 矫正焊接变形的方法

在焊接结构生产中，首先应采取各种措施来防止和控制焊接变形。但是在实际生产中，即使采用上述措施，焊后有时仍会产生超过允许偏差的变形。为确保结构形状与尺寸要求，常需进行矫正。常用的矫正焊接变形的方法有以下几种。

１． 手工矫正法

手工矫正法就是利用锤子、大锤等工具捶击焊件的变形处。主要用于矫正一些小型简单焊件的弯曲变形和薄板的波浪变形。

２． 机械矫正法

机械矫正法就是利用机器或工具来矫正焊接变形。具体地说，就是用千斤顶、拉紧器、压力机等将焊件顶直或压平，如图2-35所示。机械矫正法一般适用于塑性比较好的材料及形状简单的焊件。

图2-35   机械矫正法矫正梁的弯曲变形

３． 火焰加热矫正法

火焰加热矫正法就是利用火焰对焊件进行局部加热，使焊件产生新的变形去抵消焊接变形。火焰加热矫正法在生产中应用广泛，主要用于矫正弯曲变形、角变形、波浪变形等，也可以用于矫正扭曲变形。

火焰加热的方式有点状加热，线状加热和三角形加热。

（１）点状加热。如图2-36所示，加热点的数目应根据焊件的结构形状和变形情况而定。对于厚板，加热点的直径 应大些；薄板的加热点直径 应小些。变形量大时，加热点之间距离 应小一些；变形量小时，加热点之间距离 应大些。

（２）线状加热。火焰沿直线缓慢移动或同时作横向摆动，形成一个加热带的加热方式，称为线状加热。线状加热有直通加热、链状加热和带状加热３种形式，如图2-37所示。线状加热可用于矫正波浪变形、角变形和弯曲变形等。
                 
图2-36   点状加热                           图2-37   线状加热
                                         （a）直通加热（b）链状加热（c）带状加热

（３）三角形加热。加热区域呈三角形，一般用于矫正刚度大、厚度较大的结构地弯曲变形。加热时，三角形的底边应在被矫正结构的拱边上，顶端朝焊件的弯曲方向，如图2-38所示。三角形加热与线状加热联合使用，对矫正大而厚焊件的焊接变形效果更佳。

图2-38   工字梁弯曲变形的火焰矫正

火焰加热矫正焊接变形的效果取决于下列３个因素。

（１） 加热方式。加热方式的确定取决于焊件的结构形状和焊接变形形式，一般薄板的波浪变形应采用点状加热；焊件的角变形可采用线装加热；弯曲变形多采用三角形加热。

（２） 加热位置。加热位置的选择应根据焊接变形的形式和变形方向而定。

（３） 加热温度和加热区的面积。应根据焊件的变形量及焊件材质确定，当焊件变形量较大时，加热温度应高一些，加热区的面积应大一些。

白培康、李志勇等。材料连接技术   国防工业出版社，北京，2007.6