焊接式屏蔽室在焊接过程中如何控制变形问题？

焊接式屏蔽室作为电磁兼容（EMC）领域的关键设备，其核心功能是通过金属壳体的连续导电结构实现对外部电磁干扰的隔离。然而，焊接过程中的热输入会导致材料内部产生不均匀的温度场，进而引发焊接变形——这一问题不仅会破坏屏蔽室的尺寸精度（如墙面平整度、门框间隙），还会导致焊缝开裂、导电连续性下降，直接影响电磁屏蔽效能（通常要求屏蔽效能≥100dB）。因此，控制焊接变形是焊接式屏蔽室制造过程中的核心技术难点。本文从设计优化、工艺控制、辅助措施三大维度，系统论述焊接变形的控制策略。

一、设计阶段：从源头降低变形风险

焊接变形的根本原因是热输入导致的材料热胀冷缩不均匀，因此设计阶段的结构优化是控制变形的基础。通过合理的结构设计，可以减少焊接热输入量、优化应力分布，从源头降低变形的可能性。

1. 结构形式优化：框架-面板组合结构

传统屏蔽室多采用纯平板焊接结构，大面积的平板焊缝会导致严重的翘曲变形。目前主流设计采用框架-面板组合结构：

· 框架：采用矩形钢管或型钢焊接成刚性骨架（如立柱、横梁），作为屏蔽室的承重和导电主体，框架的焊缝集中在杆件连接处，热输入量小且应力易分散；

· 面板：采用薄钢板（厚度2-3mm）通过螺栓或点焊固定在框架上，面板之间的焊缝仅为边缘的对接焊，减少了大面积焊接带来的变形。

例如，某军用屏蔽室采用“80×80×4mm矩形钢管框架+2mm冷轧钢板面板”结构，相比纯平板结构，焊接变形量降低了60%以上。

2. 焊缝设计：减少热输入与应力集中

焊缝是焊接变形的主要来源，合理的焊缝设计可以降低热输入量和应力集中：

· 坡口形式：优先采用窄间隙坡口（坡口宽度≤10mm）或I型坡口（适用于薄钢板），减少填充金属量，从而降低热输入。例如，2mm钢板对接焊采用I型坡口（不留间隙），比V型坡口（间隙2mm）减少了50%的填充金属，热输入量降低了40%；

· 焊缝布置：采用对称焊缝（如屏蔽室左右墙面焊缝对称布置），使焊接时产生的变形相互抵消；避免集中焊缝（如在同一位置布置多条平行焊缝），防止应力叠加；

· 焊缝长度：尽量采用短焊缝（如面板之间的焊缝长度控制在1.5m以内），分段焊接，减少单次焊接的热输入。

3. 材料选择：低膨胀系数与高塑性材料

材料的热膨胀系数（α）直接影响焊接变形量（变形量ΔL=α×ΔT×L）。选择低膨胀系数材料（如低碳钢，α=12×10⁻⁶/℃；不锈钢，α=17×10⁻⁶/℃）可以减少热胀冷缩的差异。此外，高塑性材料（如冷轧钢板，延伸率≥25%）能更好地吸收焊接应力，降低变形的可能性。

二、焊接工艺：精 准控制热输入与温度场

焊接工艺是控制变形的核心环节，通过优化焊接方法、参数和顺序，可以有效控制热输入量和温度场分布，减少变形。

1. 焊接方法选择：优先采用低热量输入方法

不同焊接方法的热输入量差异较大（见表1），应优先选择能量集中、热影响区小的焊接方法：

推荐方案：屏蔽室面板焊接优先采用CO₂气体保护焊（效率高、热输入适中），框架焊接采用氩弧焊（精度高、热影响区小）。例如，某医疗设备屏蔽室采用“CO₂焊焊接面板+氩弧焊焊接框架”组合工艺，焊接变形量控制在1mm以内（符合GB 50174-2017《数据中心设计规范》要求）。

2. 焊接参数优化：降低热输入

焊接参数（电流、电压、焊接速度）直接影响热输入量（热输入Q=IU/v，其中I为电流，U为电压，v为焊接速度）。优化参数的核心是在保证焊缝质量的前提下，尽量降低热输入：

· 电流：采用小电流（如CO₂焊焊接2mm钢板，电流控制在80-120A），减少电弧热量；

· 电压：匹配电流选择低电压（如电流100A时，电压选择18-20V），避免电弧过长导致热量分散；

· 焊接速度：提高焊接速度（如CO₂焊焊接速度控制在30-50cm/min），减少焊缝的受热时间。

例如，某屏蔽室面板焊接采用“电流100A、电压19V、焊接速度40cm/min”参数，热输入量为475kJ/cm，相比“电流150A、电压22V、焊接速度25cm/min”（热输入量1320kJ/cm），变形量降低了70%。

3. 焊接顺序：均匀分布热量

焊接顺序的选择直接影响温度场的分布，合理的顺序可以使热量均匀扩散，减少变形：

· 对称焊接：对于屏蔽室的墙面或顶板，采用从中心向四周对称焊接的顺序，使焊接时产生的变形相互抵消。例如，屏蔽室后墙面焊接时，先焊中心的横向焊缝，再向左右两侧对称焊接纵向焊缝；

· 分段退步焊：对于长焊缝（如超过2m的面板焊缝），采用分段退步焊（将焊缝分成若干段，从焊缝终点向起点焊接），避免热量集中。例如，2.5m长的面板焊缝分成5段（每段50cm），从第5段开始焊接，依次焊第4、3、2、1段，这样每段焊接时的热量会被前面的冷金属吸收，减少变形；

· 先焊框架后焊面板：框架的刚性大，先焊框架可以为面板焊接提供稳定的支撑，减少面板焊接时的变形。例如，屏蔽室制造时，先焊接立柱和横梁组成的框架，再将面板固定在框架上进行焊接，这样面板焊接时的变形会被框架限制，变形量降低了50%。

三、辅助措施：强化变形控制效果

除了设计和工艺优化，辅助措施可以进一步强化变形控制效果，主要包括刚性固定、预热与后热、实时监测等。

1. 刚性固定：限制变形

刚性固定是控制焊接变形最有效的辅助措施之一，通过夹具、胎具或临时支撑将工件固定，限制焊接时的变形：

· 夹具固定：采用专用夹具（如钢板夹具、螺栓夹具）将面板固定在框架上，例如，面板焊接时，用M8螺栓将面板固定在框架的型钢上，螺栓间距控制在30cm以内，这样可以限制面板的翘曲变形；

· 胎具固定：对于大型屏蔽室（如尺寸超过10m×10m×5m），采用刚性胎具（如由型钢组成的平台）将屏蔽室的底部框架固定，防止焊接时底部变形；

· 临时支撑：在焊接顶板时，采用临时支撑柱（如钢管）将顶板支撑在设计高度，避免顶板焊接时因自重产生的下垂变形。

例如，某大型数据中心屏蔽室焊接时，采用“框架固定胎具+面板夹具+临时支撑柱”组合，刚性固定率达到90%，焊接变形量控制在1mm以内（符合GB/T 31483-2015《电磁屏蔽室工程技术规范》要求）。

2. 预热与后热：降低应力

预热和后热可以降低焊接区与周围环境的温度差，减少热应力，从而控制变形：

· 预热：对于厚钢板（厚度≥4mm）或高强度钢，焊接前进行预热（预热温度100-200℃），可以降低焊接时的冷却速度，减少热应力。例如，4mm钢板焊接前，用火焰加热到150℃，焊接时的热应力降低了30%；

· 后热：焊接后立即进行后热（温度200-300℃，保温1-2小时），可以消除残余应力，防止焊缝开裂和变形。例如，屏蔽室框架焊接后，用红外线加热灯对焊缝进行后热，保温2小时，残余应力降低了60%，变形量减少了40%。

3. 实时监测：动态调整工艺

随着传感器技术的发展，实时监测可以动态跟踪焊接过程中的温度场和变形量，及时调整工艺参数：

· 温度监测：采用红外热像仪监测焊接区的温度分布，当温度超过阈值（如低碳钢焊接时温度超过600℃）时，自动调整焊接电流或速度，降低热输入；

· 变形监测：采用激光跟踪仪实时监测工件的变形量（如面板的翘曲度），当变形量超过允许值（如0.5mm）时，停止焊接，采取矫正措施（如机械矫正或火焰矫正）。

例如，某高端屏蔽室制造企业采用“红外热像仪+激光跟踪仪”实时监测系统，焊接过程中温度超过600℃时，系统自动将电流从120A降低到100A，变形量超过0.5mm时，系统报警并提示调整焊接顺序，这样可以将变形量控制在0.3mm以内，满足高精度屏蔽室的要求。

四、结论

焊接式屏蔽室的焊接变形控制是一个系统工程，需要从设计、工艺、辅助措施三个维度协同作用。设计阶段通过结构优化和焊缝设计降低变形风险；工艺阶段通过选择低热量焊接方法、优化参数和顺序控制热输入；辅助阶段通过刚性固定、预热后热和实时监测强化变形控制效果。只有综合应用这些策略，才能有效控制焊接变形，保证屏蔽室的尺寸精度和电磁屏蔽效能。

随着技术的发展，数值模拟（如有限元分析）和智能焊接（如机器人焊接）将成为未来焊接变形控制的重要方向。例如，通过有限元分析可以预测焊接过程中的温度场和变形量，提前调整工艺参数；机器人焊接可以实现精 准的焊接顺序和参数控制，减少人为因素的影响。这些技术的应用将进一步提高焊接式屏蔽室的制造精度和可靠性，满足日益增长的电磁兼容需求。