不锈钢薄板焊接变形影响因素以及管理策略分析

不锈钢薄板焊接变形影响因素以及管理策略分析

许煜楠杨荣煌陈国欣朱文彬

广东创生不锈钢制品有限公司广东潮州521000

摘要：在不锈钢薄板焊接过程中，受各种因素影响，容易出现结构变形问题，影响焊接的质量以及板材的使用性能。从改善不锈钢薄板焊接工艺的角度，本文对焊接变形的影响因素进行了分析，希望能够借助有效的管理策略和控制方法，就薄板的挠曲变形进行控制，保证其焊接质量。

关键词：不锈钢薄板；焊接变形；影响因素；管理策略

前言：最近几年，不锈钢薄板在很多领域得到了应用，其焊接工艺也因此实现了快速发展，在对不锈钢薄板进行焊接的过程中，应该充分考虑各方面因素的影响，如几何形状、尺寸约束、焊接参数等，尽可能避免焊接环节的变形问题，提升不锈钢薄板焊接的质量，切实保障其使用性能。

1.焊接变形的危害

焊接变形指在对工件进行焊接的过程中，受不均匀温度场的影响，工件出现形状和尺寸的变化，这种变化可以分为两种类型，一是随温度变化而变化的焊接瞬时变形，二是工件完全冷却后的变化的焊接残余变形。焊接变形对于结构的安装精度会产生巨大影响，如果变形程度过大，会导致结构承载能力的显著下降，影响其使用性能和使用寿命，严重的还可能引发相应的安全问题。

2.不锈钢薄板焊接变形影响因素

2.1输入热源

在进行不锈钢薄板焊接处理的过程中，因为局部高温热源的存在，焊缝区域的温度会在较短的时间内迅速升高，如果温度超出材料本身的承受极限，还可能造成局部熔化的现象。材料在经过加热后，焊接区域的面积会有所增加，外部低温区域约束力的存在，会在焊缝位置引起弹性热应力。而材料本身所具备的屈服应力极限会随着温度的升高而逐步降低，当其低于弹性热应力后，就会引发热压缩问题。不锈钢薄板冷却过程中，焊缝区域材料的收缩会受周边区域不均匀应力场的影响，产生相应的收缩变形，此时焊接区域和周边区域分别承受拉伸残余应力和压缩残余应力。焊接环节的温度场如图1所示。可以看出，焊接过程中，结束端温度超过开始端温度，焊接变形问题也更严重。因此，在焊接环节，需要做好焊接方向的合理选择，保证焊接温度场分布的均匀性。

图1焊接温度场

不锈钢薄板的焊接对于输入热源异常敏感，要求技术人员切实做好输入热源能量的控制，如果输入热源能量较大，会引发较大的收缩变形，如果输入热源能量较小，则引发的收缩变形也较小，应该在保证焊接工作顺利实施的前提下，选择尽量小的输入热源。

2.2焊缝尺寸

在不锈钢薄板焊接中，焊缝面积尺寸与工件挠曲变形密切相关，工件纵向上存在的挠曲变形与其本身的纵向收缩应力关系如下

公式中b表示纵向焊缝到焊板中心的距离，l表示焊板本身的长度，E为弹性模量，J表示焊板截面惯性矩。

事实上，结构中焊缝所处的位置同样会对其焊接变形产生不容忽视的影响，如果没有进行对称安排，则可能引发工件在焊接过程中的弯曲变形问题，焊接截面中性轴与焊缝的距离越近，则弯曲变形越小，反之弯曲变形越大。

2.3焊件装配

在对焊件进行装配的过程中，需要选择恰当的装配顺序，尽可能减少构件内存在的多余装配应力。通常情况下，如果不能对焊件装配的顺序进行合理把控，焊接的质量也就无法保证，对不锈钢薄板进行分析，在进行装配的过程中，可能引发新的残余应力，若这个残余应力超过了材料本身的临界变形应力，焊件变形就会发生，需要技术人员采取有效措施，尽可能对装配应力的产生进行规避或者减少。

2.4其他因素

一是板件初始粗糙度。刘群山等人就理想状态下不锈钢薄板于残余应力作用下初始粗糙度对于焊接变形的影响进行了研究和讨论，得到了板件初始粗糙度对最终变形的影响曲线（见图2）。

图2初始粗糙度对最终变形的影响曲线

从实际加工的角度，事实上并不能得到理想状态的不锈钢薄板，其必然会存在初始挠曲变形或者几何缺陷，区别仅在于程度不同，这些初始粗糙度和初始缺陷会引发不锈钢薄板焊接的临界变形问题。如果板材本身平整度不足，会导致残余应力的增大，虽然初始阶段板材挠度的增加十分缓慢，但是一旦焊接残余应力超出某个限值，则板材挠度的增长速度会大大加快。当板材初始粗糙度较大时，其所能够承受的临界荷载数值会有所下降，更容易出现失稳变形问题。因此，技术人员应该做好不锈钢薄板初始粗糙度的严格控制，避免由此引发的焊接变形问题。

二是板材厚度。大量的研究实践表明，在不锈钢薄板焊接过程中，板材厚度越小，刚度和弯曲变形抵抗能力越差，在实施对接焊的过程中，因为高温热源的存在，也更容易出现挠曲变形问题。基于此，想要对不锈钢薄板焊接变形进行控制，需要根据实际需求，做好板材厚度的合理选择。

3.不锈钢薄板焊接变形管理策略

对不锈钢薄板焊接变形的防范和控制关系着焊接的质量，也因此受到了相关研究人员和技术人员的高度重视。

3.1热源控制

当前，国内外很多学者都提出了通过设置辅助热源或冷源的方法，对焊接温度场进行畸化，在降低应力的同时控制焊接变形问题，也取得了较为显著的成果。温鹏等人就是通过上述方法，对激光焊接薄板的变形进行控制，借助相应的试验得到了薄板失稳变形控制的最佳冷却参数，借助单一的冷却手段，能够有效将1.5mm薄板的焊接变形消除，不过对于厚度更小的0.8mm薄板，则需要以夹具配合动态冷却，才能切实将残余变形消除。

3.2夹具约束

郭玉泉的人采用夹具约束的方式，对HastelloyC276薄板脉冲激光焊接变形进行控制，提出夹具约束的距离与焊接横向收缩变形以及纵向挠度存在不可分割的关系，两者会随着夹具约束距离的增加呈现出近似线性增长的趋势，不过相比较而言，焊接横向收缩变形的影响更加显著，研究表明，如果将夹具约束的距离扩大2.5倍，则薄板在横向上的收缩变形会增加3.6倍左右。张建强等人在对铝合金薄板的焊接变形进行分析时，提出运用多种夹具的共同约束来对薄板焊接过程中的挠曲变形进行控制，借助合理的夹具约束参数，将薄板纵向挠度控制在相关标准允许的范围内。

3.3旋转挤压

旋转挤压法对于薄板焊接变形的控制主要是在焊缝区域内，借助形状合适的挤压头，开展旋转挤压，这个过程中需要将挤压头的旋转速度控制在一定范围内，对焊缝进行旋转锤击，以此来实现对焊缝区域的拉伸，引发塑性形变，对残余压缩塑性应变进行部分抵消，从而将焊接过程中产生的残余变形控制在相关标准允许的范围内（3%）。

3.4切割控制

良好的切割质量是降低不锈钢薄板焊接变形的重要前提，因此，在对不锈钢薄板进行切割的过程中，应该尽量避免采用手工切割的方式，代之以等离子切割方法，这种方法不仅操作简单、适用性强，而且成本低廉，切割后不锈钢薄板的变形相对较小，更容易进行焊接操作。如果焊接件有着较高的技术要求，可以选择激光切割技术，能够进一步提升切割的质量，为焊接工作提供良好的基础条件。切割后的不锈钢薄板需要做好打磨处理工作，确保其能够符合相关规定的要求后，再进行焊接。

3.5其他策略

想要对不锈钢薄板焊接变形问题进行有效控制，主要是借助先进的工艺措施，对残余变形进行减弱或者消除，相关研究表明，焊接温度场引发的残余应力，不锈钢薄板临界失稳应力等，都会对焊接失稳变形的程度产生影响，若不锈钢薄板无法承受超过温度场引发残余应力的最大抵抗失稳变形力，则构件在焊接过程中或者焊接完成后就会出现失稳变形的问题。不锈钢薄板焊接失稳变形可以通过以下措施解决：一是对原本不均匀分布的温度场进行调整和改善，以降低残余应力；二是提升焊接结构的刚度，增大临界失稳应力。在实际操作中，比较常见的残余应力处理方法有三种：第一，热处理方法，可以将其分为整体结构件的热处理以及局部结构件的热处理，前者处理难度较大，不过处理更加全面，后者能够减少残余应力峰值，但是不能将残余应力完全消除；第二，机械应变法，包罗了温度拉伸法、锤击焊缝法等，温度拉伸法主要是向焊接结构施加一定拉应力，于焊缝附近产生拉伸塑性变形，对焊缝及周边区域的压缩塑性变形进行部分抵消，以降低残余应力，锤击焊缝法主要是旋转挤压的方式，确保挤压头可以依照一定速度对焊缝进行锤击来降低残余应力。事实上，从减少和消除残余应力的角度，在对工艺方法进行选择的过程中，必须确保其能够与实际情况相匹配，做到理论与实践的结合，保证工艺措施效果的最大化。

4.结语

总而言之，不锈钢薄板焊接变形的影响因素有很多，在进行分析的过程中，应该考虑各种因素的影响，借助有效的措施和方法，对残余应力进行控制。科学技术飞速发展背景下，有限元软件在工艺生产领域得到了偶记，借助焊接模拟仿真，能够就各种因素对薄板焊接变形的影响程度进行分析，做好焊接变形变化趋势的合理预测，借助正交试验，确定好最优工艺参数，优化不锈钢薄板的焊接质量和使用性能。

参考文献：

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