十一、如何控制铝合金薄板焊接过程中的变形？

通常情况下，铝合金焊接过程中会产生较大的焊接变形，因而对铝合金结构焊接变形的预测和控制是焊接结构亟待解决的重要问题之一。目前，生产中常用的控制铝合金薄板焊接变形的工艺措施主要有刚性固定法、反变形法、预拉伸法等。刚性固定法（拘束焊），即采用设计合理的夹具，将焊件固定起来进行焊接，增加其薄板的刚性，以达到减小薄板焊接变形的目的。从已有的研究结果来看，采用合理的夹具布置可以很好的控制焊接变形。分析引起薄板焊接变形的因素，外拘束是影响焊接应力和变形的重要因素，但掌握拘束对焊接应力和变形的影响规律以及如何对焊接件进行合理拘束对于操作者来讲仍然是一个比较难的问题。

目前，国内外许多学者在拘束与焊接变形的关系方面做了大量的研究工作，探讨了拘束对低碳钢薄板焊接变形的影响。研究结果表明，拘束增加，变形减小，但残余应力变大。考察拘束对埋弧焊接角变形的影响时发现，焊接时采用拘束作用能显著减少焊接角变形。

从力学（拘束力）角度出发，通过调整焊接温度场，控制焊缝及近缝区应力应变的发展进程，可以实现高强铝合金薄板的低应力小变形无热裂纹焊接。例如，有研究者利用有限元方法对拘束焊进行了模拟分析，通过对不同厚度钢板拘束焊问题的研究，可以计算出最优的拘束力和拘束长度（拘束位置）。在控制变形的研究中，有研究者利用焊接温度与变形测量系统，对5A12铝合金试板拘束焊接变形的行为进行系统试验研究，分析拘束焊接变形曲线的特点和不同拘束力下5A12铝合金板变形情况以及拘束力卸载对焊接残余变形的影响，这些研究结果对我们焊接铝合金薄板以及防止焊接过程中铝合金的变形提供了很好的参考和借鉴。

再如，有一些研究者采用5A12铝合金作为焊接材料，焊件尺寸为220mm×170mm×5mm的板材，试验装置如图1-10所示，采用1号位移传感器和2号位移传感器对距焊缝中心90mm处C点和D点的焊接面外变形进行测量。两个力传感器对称分布，拘束方式采用面压紧方式，压板距焊缝中心的距离为45mm。焊接方法选择为钨极氩弧焊，焊接方式为在试板中心沿图1-10所示的方向进行堆焊。焊接时，焊接规范选定为焊接电流146A，焊接速度11cm/min，氩气流量10L/min，电弧电压14V，焊接环境温度为室温（20℃）。为了更好的分析变形趋势，采用动态测量系统对焊接过程中的变形和拘束力进行实时检测和测量，其中变形和拘束力的测量选用体积较小的电感调频式BWG3-20mm位移传感器和H3力传感器。拘束方式采用在试板上施加单端拘束，拘束力变化曲线如图1-11所示。另一端，即不施加拘束力的一端如图1-10所示的C点、D点，C点、D点面外变形随时间变化趋势曲线如图1-12所示。

由图1-11可以看出，焊接开始时通过1号传感器预加力0.56kN，0～75s为焊接加热阶段，75s以后为冷却阶段。随着焊接加热过程的进行，试板温度陡增，焊后试板逐渐冷却，热胀冷缩导致拘束力亦呈先增加后降低的趋势。试板冷却到室温后，拘束力趋于稳定。但是，从不施加拘束力的另一端可以看出，焊接开始后，变形迅速增加（如图1-12所示）。产生这种现象的主要原因是由于随着焊接电弧的移动，电弧后面的焊缝金属开始冷却，发生横向收缩，导致试板上翘。焊后，随着试板慢慢冷却，变形稍有减小，并逐渐趋于稳定，表现为残余变形量。

测量两种状况的焊接接头残余变形量，不施加拘束端的C点残余变形量约为0.85mm，D点残余变形量约为0.71mm。试板施加双端对称拘束（拘束焊），拘束力分别为0.1kN、0.2kN、0.5kN、0.8kN。焊接结束后，试板温度降至室温，左侧拘束卸载，通过位移传感器观察C点、D点面外变形情况。拘束卸载后C点的拘束力和面外变形随时间的变化趋势曲线分别如图1-13、图1-14所示。

由图1-13可以看出，焊接过程中拘束力的变化并不明显，在冷却阶段拘束力虽然有少许下降，但很快趋于稳定。由图1-14可以看出，在不同拘束力下试板面外变形曲线趋势大体相同。焊接开始后，变形迅速增加，但在不同拘束力下试板的最大变形量有所不同。焊接结束后，试板冷却，变形减小，试板达到平衡温度后，变形趋于稳定。薄板不施加拘束较之单端施加拘束相比，施加拘束试板变形较小，且不同拘束力对变形控制的效果不同。试板冷却到室温，左侧拘束卸载，由于弹性回复，变形迅速增加，表现为残余变形量。当施加的拘束力为0.8kN时，试板的残余变形量最大，拘束力为0.2kN的试板残余变形量最小。

薄板试件单端拘束和双端拘束面外变形曲线对比如图1-15所示。由图1-15可知，薄板单端拘束和双端拘束面外变形存在明显的区别，薄板施加拘束焊接变形显著减小。薄板试件单端拘束和双端拘束面外变形的大体规律表现为：随着焊接加热过程的进行，单端拘束焊接变形量持续增加；随后，随着焊接过程和焊道前移，试板冷却变形有少许下降，但很快趋于稳定，冷却后薄板表现为留有残余变形。由此可断定单端拘束变形曲线可分为3个阶段：变形增加阶段、变形减少阶段及稳定阶段。双端拘束焊接在加热阶段同样表现为变形由小到大持续增加，但总体变形量较小；焊后随着试板冷却也留有残余变形，但是残余变形较小。当试板冷却到室温，拘束释放，由于弹性回复造成变形迅速增加，但残余变形量远远小于单端拘束。故双端拘束变形过程可分为4个阶段：变形增加阶段、变形减少阶段、稳定阶段及弹性回复阶段。

有关研究人员经过大量试验给出了试板在不同拘束力下的焊接残余变形，具体变形量见表1-5。从表1-5中可以看出，试板在不同拘束力下均发生了变形，但拘束力不同变形的程度也不同，不施加拘束时焊接件的变形现象较严重。

在不同拘束力下C点的残余变形情况如图1-16所示。由图1-16可知，不施加拘束焊接时，试板残余变形量达到试验中的最大值（0.86mm）。施加双端对称拘束时，焊接件的拘束力为0.1kN时，残余变形迅速减小；当拘束力为0.2kN时，焊接件的残余变形大约为0.18mm（最小）。但是，随着拘束力的继续增加，残余变形又呈缓慢上升趋势，在0.8kN拘束力下，其残余变形达到0.25mm。产生这种现象的主要原因大概是由于焊接过程中产生的应力和不均匀塑性变形。

不施加拘束情况下，试板焊接变形量明显增加。施加拘束，控制了焊接变形，但增大了试板内部应力，尤其是施加拘束部位应力增加更多。由此可知，拘束过大，应力增加。过大的拘束应力即使卸除后，焊接变形较适当拘束情况下也会稍有增加，这点是操作者在采取防止变形的措施时应该注意的问题。

2号位移传感器所测D点在不同拘束力下的残余变形情况如图1-17所示。由图1-17可见，其残余变形趋势与图1-16大致相同。由此可以推断，施加适当的拘束可以有效的控制焊接变形。对于5mm厚5A12铝合金板，采用对称面压紧的拘束方式控制焊接变形，拘束位置布置在距焊缝中心大约45mm位置处，最优化的拘束力可以控制在0.2kN左右。

焊接后，薄板所加的拘束释放后，对于拘束控制的薄板从变形量来看，有一定程度的反弹变形，且薄板所施加的拘束力不同，焊接变形在拘束释放后的反弹也不同。图1-18及图1-19展现了在不同大小初始拘束力作用下，在距焊缝相同位置条件下拘束卸载前后的变形情况以及卸载拘束前后的变形差值（焊接件拘束释放后的弹性回复为图中阴影部分）。由图1-18和图1-19可见，当拘束力为0.2kN左右时，焊接件残余变形最小，拘束力过小或过大对于控制变形的效果都不是很好。在拘束释放前，0.2kN左右拘束力下的焊接变形并非最小，但拘束释放后，0.2kN左右拘束力下焊接件的弹性回复最小，因而对残余变形的控制效果最好。由此可知，造成拘束焊残余变形的主要因素是拘束力卸除后的弹性回复，适当的拘束可以减小弹性回复，进而可以实现控制焊接变形的目的。

由此可见，在焊接过程中，单端拘束和双端拘束在控制焊接变形中存在明显的差异，特别是双端拘束在控制焊接变形时要考虑到薄板存在弹性回复阶段过程。

以上几个例证证明，在焊接过程中施加拘束是一种有效的主动控制焊接变形的方式，但对于不同厚度的板材，焊接变形控制存在最优拘束值和最佳拘束力。控制焊接变形除了要考虑不同拘束力卸力后的残余变形和变形的大小，还要考虑拘束卸除后的弹性回复，进而实现更好地控制焊接变形的目的。