手工电弧焊接过程中的变形成因及对策
在工业生产中，焊接操作，尤其是手工电弧焊操作，作为一种重要的制造和维修工艺方法，得到了越来越广泛的应用。同时，手工电弧焊的焊接特性不可避免地会导致较大的焊接变形。如果不分析产生变形的原因，并根据其原因提出有效的对策，将给生产带来极大的危害。1.手工电弧焊变形原因
我们知道，手工电弧焊接过程中的焊接电弧由在两个电极之间的气体介质中产生持久的放电现象所产生的。
电弧是通过两个电极接触形成短路而产生的。由于接触电阻和短路电流引起的电流热效应，两个电极之间的接触点达到白热状态，然后两个电极打开。两电极之间的气隙被强烈加热，在空气热作用后形成电离；与此同时，阴极上的高速电子飞出，撞击空气中的分子和原子，击落电子，产生离子和自由电子。在电场的作用下，阳离子与阴极发生碰撞；阴离子和自由电子与阳极碰撞。由于这种碰撞，两个电极之间产生高热，并发出强光。
电弧是由阴极区（位于阴极）、弧柱（其长度差不多等于电弧长度）和阳极区（位于阳极）三部分所组成。阴极区和阳极区的温度，主要取决于电极的材料。一般地，随电极材料而异，阴极区的温度大约为2400k―3500k，而阳极区大约为2600k―4200k，中间弧柱部分的温度最高，约为5000k―8000k。
焊接接头由焊缝和热影响区组成。焊缝金属是液态金属在熔池中快速冷却、凝固和结晶形成的，其中心点温度可达2500℃以上。在电弧高温下，焊缝附近母材的内部结构发生变化。这个区域被称为热影响区。焊缝处的温度非常高，但稍微向外，温度迅速下降。热影响区主要由不完全熔化区、过热区、正火区、不完全正火区、再结晶区和蓝脆区组成。热影响区的宽度在8-30mm之间，从底部到顶部的温度约为500℃-1500℃。金属结构在焊接过程中由于加热和冷却不均匀而产生的内应力称为焊接应力。焊接应力引起的变形称为焊接变形。 在焊接过程中，不均匀的加热，使得焊缝及其附近的温度很高，而远处大部分金属不受热，其温度还是室内温度。这样，不受热的冷金属部分便阻碍了焊缝及近缝区金属的膨胀和收缩；因而，冷却后，焊缝就产生了不同程度的收缩和内应力（纵向和横向），就造成
了焊接结构的各种变形。金属内部发生晶粒组织的转变所引起的体积变化也可能引起焊件的变形。这是产生焊接应力与变形的根本原因。2、焊件的残余变形和应力的危害性
在焊接过程中，焊件会变形。随着变形的产生，焊接件中的应力状态也会发生变化，焊接和冷却后留下的变形和应力不是暂时的，而是残余的。通常，焊接件的残余变形和应力同时存在，但在一般焊接结构中，残余变形的危害远大于残余应力。它改变了焊接件或组件的尺寸，无法组装，使整个组件失去稳定性，无法承受负载，大大降低了产品质量。然而，纠正会消耗大量的能源和物质资源，有时会导致产品报废。同时，焊接裂纹的产生往往与焊接残余变形和应力密切相关。由于焊接后的残余应力，一些金属的使用性能大大降低，这给此类金属焊接件的生产带来了很多困难。因此，在制造焊接结构时，必须充分了解焊接过程中的内应力机理和焊接后确定工件变形的基本规律，以控制和降低其危害性。3.影响焊接结构变形的主要因素及变形类型（一）。影响焊接结构变形的主要因素有：1.焊缝在结构中的位置；2.结构刚度；
3.装配和焊接顺序；4.焊接规范的选择。（二）、焊接变形的种类有：1.纵向收缩和横向收缩；
焊缝长度方向上的收缩称为纵向收缩，而垂直于焊缝纵向的收缩称为横向收缩。由于这种收缩，焊接件变形。2.角变形；3.弯曲变形；4.波浪变形；5.失真。（3） 从焊接工艺分析来看，影响焊缝收缩的因素有：手工电弧焊焊接长焊缝时，一般采用焊接前沿焊缝进行点焊。这不仅有利于减少焊接变形，而且有利于降低焊接内应力。
备料情况和装配质量对焊接变形也会产生影响。焊接工艺中影响焊缝收缩量的因素有：
1.线膨胀系数大的金属材料的变形大于线膨胀系数小的金属材料的变形；2.焊缝纵向收缩随焊缝长度的增加而增加；3.角焊缝的横向收缩小于对接焊缝；4.不连续焊缝的收缩小于连续焊缝；
5.多层焊时，第一层引起的收缩量最大，以后各层逐渐减小；
6.固定夹具条件下的焊接收缩比不固定夹具条件下的小，减少约40%-70%；7.焊脚等于平板厚度的T型接头角变形大。4.防止焊接变形的方法
通过以上的分析，我们基本了解焊接变形的原因及变形的种类，针对焊接变形的原因和种类从焊接工艺上进行改进，可以有效防止和减少焊接变形所带来的危害。下面，我们主
要介绍几种常见的防止焊接变形的方法。1.反变形法
焊接前组装时，预设反向变形以抵消（补偿）焊接变形。这种方法称为反向变形方法。
图1所示为8―12mm厚的钢板v形坡口单面对接焊时，采用反变形法以后，基本消除了角变形。
2.采用组装和焊接顺序控制变形；
采用合理的装配和焊接程序来减少变形，这在生产实践中是行之有效的好办法，如图2（a）所示为一箱形梁，由于焊缝不对称，焊后产生下挠弯曲变形。解决办法是由两人或四人，对称地先焊只有两条焊缝的一侧，如图2（b）中焊缝1和1然后就造成了如图2(c)的上拱变形。由于这两条焊缝焊后增加了箱形梁的刚性。当焊接另一侧的两条焊缝时，如先焊图2(d)中焊缝2和2，最后再焊图2(e)中焊缝3和3，就基本上防止了变形。
有许多结构具有对称的截面形状和对称的焊缝布置，但焊接后会发生弯曲或扭曲变形，这主要是由于装配和焊接顺序不合理造成的，即每个焊缝产生的变形不能相互抵消，因此会发生变形。焊接顺序是影响焊接结构变形的主要因素之一。安排焊接顺序时应注意以下
原则：
1）尽量采用对称焊接。对于具有对称焊缝的工作，最好由成对的焊工对称进行焊接。这样可以使由各焊缝所引起的变形相互抵消一部分。
2） 对于一些焊缝布置不对称的结构，应先焊接焊缝较少的一侧。
3）依据不同焊接顺序的特点，以焊接程序控制焊接变形量。常见的焊接顺序有五种，即：
a、 分段背焊法
这种方法适用于各种空间的位置的焊接，除立焊外，钢材较厚、焊缝较长时都可以设挡弧板，多人同时焊接。其优点是可以减小热影响区，避免变形。每段长应为0.5―1m。见图2(f)
b、 分段背焊法
这种方法适用于中板或较薄的钢板的焊接，它的优点是中间散热快，缩小焊缝两端的温
度差。焊缝热影响区的温度不至于急剧增高，减少或避免热膨胀变形。这种方法特别适用于平焊和仰焊，横焊一般不采用，立焊根本不能用。见图2(g)c.跳焊法
除垂直焊接外，该方法还适用于平焊、水平焊和仰焊。主要用于6-12mm厚钢板的长焊缝及铸铁、不锈钢、铜的焊接。它可以分散焊缝热量，避免或减少变形。每段钢材的焊缝长度在200-400mm之间；铸铁焊接件应按照铸铁焊接规范进行处理；由于不锈钢和铜的快速热传导，每个部分的长度不应超过200mm（薄板应更短）。参见图2（H）d.替代焊接方法
这种焊法和跳焊法基本相同，只是每段焊接距离拉长，特别适用于薄板和长焊缝。见图2(i)
e、 分裂对称法
这种方法适用于焊缝较短的焊件，为了减小变形，由中心分两端一次焊完。见图2(j)3.刚性固定法
刚性固定方法在减少变形方面非常有效，焊接顺序不需要考虑太多。缺点是一些大型零
件不易固定，焊后拆除固定件后，焊件仍有少量变形和较大的残余应力。该方法适用于厚度小于6mm、韧性好的薄壁材料的焊接。如果与逆变形法相结合，效果更好。
对于形状复杂，尺寸不大，又是成批生产的焊件，可设计一个能够转动的专用焊接胎具，既可以防止变形，又能提高生产率。
当工件较大、数量较少时，可在容易变形的部位临时焊接一些支架或拉杆，以增加工件的刚度，有效减少焊接变形。3.散热方法
散热法又称强迫冷却法，即将焊接处的热量迅速散走，使焊缝附近的金属受热面大大减少，达到减小焊接变形的目的。图3（a）为水浸法示意图，常用于表面堆焊和焊补。图3(b)是散热法示意图，用紫铜作散热垫，有的还钻孔通冷却水，这些垫板越靠近焊缝效果越好。但散热法比较麻烦，且对于淬火倾向大的钢材不宜采用，否则易裂。4.锤击焊缝法
锤击焊接法，即用小圆头锤敲击焊缝，可以减少焊接变形和应力。因此，通过适当锻造焊缝，使其拉长，以补偿这种缩短，可以减少变形和应力。锤击时，力应均匀。通常使用0.5kg-1.0kg的手锤，其末端为圆形（r=3-5mm）。底层和表面焊道通常不锤击，以避免金
属表面冷硬化。锤击应在其他焊道中的一道焊道完成后立即进行，直到在焊缝表面形成均匀致密的点。5.防止常见复杂构件变形的方法1.钢架焊接
钢架焊接的关键问题，是如何保证强度和防止变形。从工艺上保证强度能适应载荷的变化，其变形量不致影响安装和使用的要求，因此：
1） 焊缝的高度和长度应根据图纸进行施工。装配误差小，坡口清理干净。
2）钢架的焊接一般先焊腹杆与节点板之间的焊缝，然后再焊上、下弦与节点板之间的焊缝，焊接顺序不应集中，而应在节点间间隔跳开焊接（见图4(a)）。3）节点板与杆件之间的横向焊缝不焊（见图4(b)），各种焊缝应尽量采用船形焊。
2.锅炉总管接头的焊接
锅炉集箱管接头焊缝集中，又偏于一侧，焊后产生较大的弯曲变形，见图5在圆筒上侧有两排共26个管接头。
跳焊的焊接顺序可以解决变形问题。首先，焊工应在第一个集管上以2-3个管接头的距离
跳焊接头。跳焊第一道后，再跳到第二道进行同样的跳焊。依次跳焊6-10个集管，然后从第一个集管跳焊第二次。此时，焊接管接头的温度已降至40℃-50℃以下。这样，可以多次跳过焊接，直到所有管接头都焊接好。虽然焊接后仍有2-3mm的弯曲变形，但在公差范围内，符合质量要求。
对接焊缝
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