結(jié)構(gòu)件焊接變形控制淺談

【摘 要】焊接作為一種工業(yè)制造手段，廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)。焊接結(jié)構(gòu)不容易受材料本身形狀的限制，這是鉚接、鍛造、鑄造、螺栓連接等連接方式無(wú)法達(dá)到的；焊縫本身?yè)碛袔缀踹_(dá)到母材甚至超過(guò)母材的強(qiáng)度，焊接的可靠性更是其他連接形式不能比擬的；另外焊接部位密封性好、焊接結(jié)構(gòu)成品率高、焊接配合工序固定等特點(diǎn)更是焊接這種制造手段出類拔萃之處。然而，焊接過(guò)程是一個(gè)局部不均勻加熱的過(guò)程，造成的局部應(yīng)力集中很有可能導(dǎo)致產(chǎn)品在使用過(guò)程中焊接部位疲勞、斷裂；由于不均勻加熱產(chǎn)生的母材塑性變形，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品外觀質(zhì)量不合格，產(chǎn)生不必要的整形工序成本，以及產(chǎn)品加工余量的增加。所以，焊接結(jié)構(gòu)變形的控制是涉及行業(yè)比較關(guān)注和主要攻關(guān)的一個(gè)項(xiàng)目。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)件；工件；焊接；變形；應(yīng)力；控制

1、焊接變形的形成及將導(dǎo)致的后果

1.1焊接熱過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，在實(shí)施焊接作業(yè)時(shí)，焊接工藝選擇的合理性與否，可能導(dǎo)致工件整體受熱不均勻問(wèn)題突出，從而造成工件內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻、工件變形嚴(yán)重，無(wú)法正常使用。

（1）焊接熱過(guò)程的局部性或不均勻性。多數(shù)焊接過(guò)程都是進(jìn)行局部加熱的，只有在熱源直接作用下的區(qū)域受到加熱，有熱量輸入，其他區(qū)域則存在熱量損耗。受熱區(qū)域金屬熔化，形成焊接熔池，這種局部加熱正是引起焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的根源。

（2）焊接熱過(guò)程的瞬時(shí)性。由于在金屬材料中熱量的傳播速度很快，焊接時(shí)必須利用高度集中的熱源。這種熱源可以在極短的時(shí)間內(nèi)將大量的熱量由熱源傳遞給工件，這就造成了焊接熱過(guò)程的時(shí)變性和非穩(wěn)態(tài)特性。

（3）焊接熱源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于焊接熱源相對(duì)于工件的位置不斷發(fā)生變化，這就造成了焊接熱源的不穩(wěn)定性。

1.2工件在沒(méi)有外力作用的條件下，存在平衡于物體內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力。在進(jìn)行焊接作業(yè)的工件上，工件受熱后會(huì)膨脹，冷卻后會(huì)收縮，溫度的變化使工件產(chǎn)生變形，克服這種變形產(chǎn)生了平衡于工件的熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力是由于工件不均勻加熱引起的。在沿著焊縫方向上產(chǎn)生殘余應(yīng)力稱為縱向應(yīng)力；在垂直于焊縫方向產(chǎn)生的殘余應(yīng)力稱之為橫向應(yīng)力，對(duì)進(jìn)行施焊的工件而言殘余應(yīng)力的存在對(duì)焊接工件產(chǎn)生的影響是多方面的，其中不乏負(fù)面的影響。

（1）內(nèi)應(yīng)力對(duì)靜載荷的影響。在一般焊接構(gòu)件中，焊接區(qū)的縱向拉伸殘余應(yīng)力峰值較高，對(duì)于某些材料來(lái)說(shuō)，可以接近材料的屈服強(qiáng)度。當(dāng)外載工作應(yīng)力與其方向一致而相互疊加時(shí)，這一區(qū)域會(huì)發(fā)生塑性變形，并因而喪失了繼續(xù)承受外載的能力，減小了構(gòu)件的有效承載面積。

（2）內(nèi)應(yīng)力對(duì)剛度的影響。如果構(gòu)件中存在與外載荷方向一致的內(nèi)應(yīng)力，并且內(nèi)應(yīng)力的值為材料的屈服強(qiáng)度，則在外載荷作用下的剛度要降低，并且卸載后構(gòu)件的變形不能完全恢復(fù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，橫向焊縫和火焰校正都有可能在相當(dāng)大的截面上產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。

（3）內(nèi)應(yīng)力對(duì)桿件壓穩(wěn)定性的影響。由于焊接殘余應(yīng)力在構(gòu)件內(nèi)部平衡，因此構(gòu)件截面上同時(shí)存在壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分布在不同區(qū)域。當(dāng)構(gòu)件承受壓力外載荷時(shí)，外加壓力和壓縮內(nèi)應(yīng)力疊加，將使壓應(yīng)力區(qū)內(nèi)的金屬首先達(dá)到屈服強(qiáng)度，屈服區(qū)內(nèi)的應(yīng)力不在增加，則使該區(qū)喪失了進(jìn)一步承受外載荷的能力。

（4）內(nèi)應(yīng)力對(duì)構(gòu)件精度和尺寸穩(wěn)定性的影響。為保證構(gòu)件的設(shè)計(jì)技術(shù)條件和裝配精度，對(duì)復(fù)雜焊接件在焊后要進(jìn)行機(jī)械加工。機(jī)械加工把一部分材料從構(gòu)件上去除，使截面積相應(yīng)改變，并釋放一部分殘余應(yīng)力，從而破壞原來(lái)構(gòu)件中內(nèi)應(yīng)力的平衡。內(nèi)應(yīng)力的重新分布引起構(gòu)件變形，并影響加工精度。焊件在長(zhǎng)期存放和使用過(guò)程中，其焊接應(yīng)力會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，因而也會(huì)影響構(gòu)件的尺寸精度。

（5）內(nèi)應(yīng)力對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響。當(dāng)材料處于持續(xù)的拉應(yīng)力作用，同時(shí)又與材料敏感的腐蝕介質(zhì)相接觸，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，就會(huì)開(kāi)裂，這就是所謂的應(yīng)力腐蝕。

2、鋼結(jié)構(gòu)件焊接變形的控制方法

2.1通過(guò)焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性控制焊接變形

（1）合理選擇基體材料和焊接材料。所選用的金屬材料必須同時(shí)滿足使用性能和加工性能的要求。使用性能即金屬的固有屬性符合使用要求。

（2）合理設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)形式。首先要有良好的受力狀態(tài)，根據(jù)強(qiáng)度或剛度的要求，以最理想的受力狀態(tài)去確定結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸；重視局部構(gòu)造，防止事故起源于局部構(gòu)造不合理；最大限度的實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化焊接，采用簡(jiǎn)單平直的結(jié)構(gòu)形式。

（3）合理設(shè)計(jì)焊接接頭形式。在各種焊接接頭中，對(duì)接接頭應(yīng)力集中程度最小，是最為理想的接頭形式。

（4）合理布置焊接接頭位置。焊接接頭盡量避開(kāi)截面突變的位置，至少應(yīng)采取措施避免產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中。

2.2合理的焊接工藝控制變形量

（1）根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適當(dāng)?shù)牟捎梅醋冃畏刂坪附幼冃?。分析焊件焊后可能產(chǎn)生變形的方向和大小，在焊接前應(yīng)使被焊件做大小相同，方向相反的變形，以抵消或補(bǔ)償焊后發(fā)生的變形，使之達(dá)到防止焊后變形的目地。

（2）根據(jù)工件焊接環(huán)境溫度，決定是否采用焊前預(yù)熱，焊后保溫的方法，來(lái)控制工件的變形量，防止焊接接頭裂紋。焊件是否需要預(yù)熱以及預(yù)熱溫度是多少，應(yīng)根據(jù)鋼材的化學(xué)成分、板厚、容器的結(jié)構(gòu)剛性、焊接形式、焊接方法和焊接材料及環(huán)境溫度等因素綜合考慮。

（3）在對(duì)工件焊接時(shí)，判斷每條焊縫所引起構(gòu)件變形的大小和方向，選出變形最小的裝配焊接順序，這樣是各條焊縫引起的變形相互抵消。對(duì)于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，盡可能做到整體裝配好后進(jìn)行焊接，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以適當(dāng)?shù)胤殖刹考謩e裝配焊接，部件經(jīng)校正滿足圖紙尺寸要求后，再拼焊成整體。另外通過(guò)合理地安排焊接順序和方向，盡量使每條焊縫能自由收縮。多種焊縫時(shí)，先焊收縮量大的焊縫，長(zhǎng)焊縫要從中間向兩頭焊，避免從兩頭向中間焊。對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，一定要對(duì)稱施焊。焊縫分布不對(duì)稱的焊道，要先焊焊縫少的一側(cè)。當(dāng)焊縫較長(zhǎng)時(shí)，采用分段焊，并配合合適的焊接方向，以使焊接變形減小或抵消。多層焊能夠翻轉(zhuǎn)的焊接結(jié)構(gòu)，要多次翻轉(zhuǎn)施焊。對(duì)于不對(duì)稱的焊接結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整焊接順序來(lái)控制焊接變形。

結(jié)束語(yǔ)

在日常的焊接生產(chǎn)活動(dòng)中，焊接結(jié)構(gòu)件的焊后變形是多方面因素共同作用的結(jié)果，然而，影響結(jié)構(gòu)件變形的主要因素也許就一個(gè)或者兩個(gè)，當(dāng)焊接環(huán)境適宜，焊接規(guī)范調(diào)整合理的情況下，焊接工藝完善與否往往成為影響結(jié)構(gòu)件焊接變形的唯一主要因素，所以日常生產(chǎn)活動(dòng)中，大量的實(shí)驗(yàn)和總結(jié)可以幫助完善焊接工藝，從而盡可能大的控制焊接變形。

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