焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形的控制

孫乃明

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引 言

在機(jī)械制造過(guò)程中，焊接是極為重要的加工工藝之一。但是在焊接制造、焊接生產(chǎn)過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、拘束條件、以及壓力管道結(jié)構(gòu)不均勻相變、冷卻、加熱等原因,導(dǎo)致很容易就在焊接接頭內(nèi)產(chǎn)生瞬態(tài)變形和瞬態(tài)熱應(yīng)力。尤其是焊縫橫向收縮會(huì)嚴(yán)重影響到焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形。每年由于焊接應(yīng)力導(dǎo)致的焊接變形造成的損失高達(dá)近千萬(wàn)元人民幣，甚至還會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡，這是我們不得不面對(duì)的問(wèn)題[1]。

1 焊接結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生焊接變形的種類

影響焊接結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)變形的原因較多，如施焊過(guò)程中是否有約束、冷卻時(shí)間、焊接順序、填充材料、母材材質(zhì)、焊接參數(shù)、焊接方法等,主要影響焊接結(jié)構(gòu)變形的因素有：1）焊接方法。這個(gè)主要是反映在V與I的作用上,埋弧焊（SAW）的線能量大,手弧焊（SMAW）的線能量較小，正相反性在回轉(zhuǎn)變形上表現(xiàn)得較為顯著。2）坡口或者根部間隙。焊條金屬熔敷量W隨著坡口或者根部間隙的增大而增大，出現(xiàn)橫向收縮增大或者收縮變形的現(xiàn)象，坡口兩面角度比例有影響。3）單位長(zhǎng)度焊條金屬熔敷量W或者線能量。收縮變形量與線能量是成正比的，而lgW越大，收縮變形量也就越大。4）焊接順序。應(yīng)該盡量避免出現(xiàn)集中熱作用的現(xiàn)象，應(yīng)力求熱作用應(yīng)該做到對(duì)稱、均勻、分散。

但從根本上來(lái)看，主要是由于焊接殘余應(yīng)力造成焊接結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生焊接變形。焊接結(jié)構(gòu)件變形的種類有:（1）扭曲變形,主要是焊接結(jié)構(gòu)件繞自身軸線扭曲而成。（2）彎曲變形，包括角變形（由橫向收縮引起）和彎曲變形（由縱向收縮引起的）。（3）波浪變形，薄板在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力,而壓縮殘余應(yīng)力又會(huì)進(jìn)一步形成波浪變形。（4）收縮變形，包括橫向收縮（垂直于焊縫方向）和縱向收縮（在焊縫方向發(fā)生）[2]。

2 控制焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形的技術(shù)要求

1）為了有效地降低焊接結(jié)構(gòu)件的收縮應(yīng)力和焊接變形,應(yīng)該采取定位焊點(diǎn)焊的方式，且為了大幅度降低對(duì)結(jié)構(gòu)變形不利的拘束和確保先焊接的部分可以自由收縮，焊接結(jié)構(gòu)件的焊接順序應(yīng)該從構(gòu)件受周圍約束較大的部位開(kāi)始，然后再逐漸地向約束較小的部位推進(jìn)[3]。

2）焊件如果按照焊接工藝評(píng)定要求需要預(yù)熱的,那么應(yīng)該對(duì)其主縫和定位焊縫二處同時(shí)進(jìn)行預(yù)熱，焊接溫度務(wù)必應(yīng)該在焊接過(guò)程中得以保持。與主縫預(yù)熱溫度相比，定位焊縫預(yù)熱溫度相應(yīng)需要提高20~30℃左右。采用對(duì)加熱板進(jìn)行均勻加熱的方式來(lái)對(duì)主縫和定位焊縫預(yù)熱,預(yù)熱區(qū)的寬度不小于100 mm,一般是在焊縫中心線兩側(cè)各3倍板厚左右，每條焊縫測(cè)量點(diǎn)不少于3對(duì)。焊接溫度務(wù)必要符合焊接工藝的規(guī)定，加熱能量務(wù)必要符合規(guī)范要求,如果沒(méi)有具體的規(guī)定，那么就應(yīng)該參照DL5017-93表6.3.12推薦值[4]。

3）一旦對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件的焊縫進(jìn)行焊接時(shí)，一定要保持連續(xù)性，不能在中途無(wú)故中斷。如果實(shí)在是由于特殊原因而不得不暫時(shí)中斷，那么也應(yīng)該采取相應(yīng)的防止焊縫開(kāi)裂的措施,將其表面清理干凈，確認(rèn)焊縫區(qū)不存在任何的缺陷之后，再按原工藝進(jìn)行重新焊接。

4）參與焊接結(jié)構(gòu)件焊接的技術(shù)人員都應(yīng)該按照國(guó)家和行業(yè)相應(yīng)的法律法規(guī)，取得相應(yīng)的上崗資格之后才能夠施工。如果已有相應(yīng)的合格證，但是已經(jīng)連續(xù)有6個(gè)月以上時(shí)間沒(méi)有從事焊接工作者,不能允許其立刻上課，必須進(jìn)行重新考試合格之后才能夠上崗。焊接變形和焊接質(zhì)量都會(huì)受到焊接人員水平的直接影響。水平高超的焊工在執(zhí)行線能量范圍方面會(huì)更加堅(jiān)決、靈活，也可以大幅度降低焊縫返修次數(shù)與數(shù)量，從而減少焊接變形[5]。

3 如何有效控制焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形

3.1 焊接方法必須合理

在機(jī)械制造中，選用較為恰當(dāng)?shù)暮附臃椒ㄊ菢O為重要的,若我們選用的焊接方法線能量較低，那么不僅可以大幅度減小焊接塑性壓縮區(qū)，還可以有效地控制住焊接結(jié)構(gòu)件的焊接變形，目前，無(wú)極氬弧焊、手工電焊弧、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊都能夠有效地降低焊接變形量。

3.2 減小變形

3.2.1 減小線能量

焊接接頭的波浪變形、角變形、縱彎（縱向收縮）、橫向收縮能夠通過(guò)減小線能量來(lái)進(jìn)行有效地防止,尤其是T形接頭的角變形和橫向收縮的效果最好。而焊接結(jié)構(gòu)件在焊接過(guò)程中，主要是橫向焊縫和縱向焊縫。因此，我們?cè)谶M(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)件的施工過(guò)程中，應(yīng)該重點(diǎn)控制住焊接接頭的波浪變形、角變形、縱彎（縱向收縮）、橫向收縮，尤其是對(duì)于圓度控制而言，波浪變形和角變形是極為主要的[6]。

當(dāng)線能量處于一定值的時(shí)候,我們?nèi)绻龃蟀搴瘭?那么就會(huì)造成收縮變形下降;但是存在一個(gè)難題，那就是焊接結(jié)構(gòu)件在焊接過(guò)程中必須要焊透,隨板厚δ增大，線能量也會(huì)隨之而增大，也就是焊條金屬熔敷量W會(huì)增大，從而也會(huì)導(dǎo)致收縮變形量增大。另外，我們?cè)趯?shí)際焊接施工過(guò)程中，焊縫是很有可能需要局部返修,一次焊接是很難將焊接結(jié)構(gòu)件焊透，達(dá)到我們的要求，這樣也會(huì)導(dǎo)致板厚δ增大，這樣一來(lái)，收縮變形量就會(huì)不可避免地增大。所以，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們應(yīng)該盡量?jī)?yōu)化、充分考慮到板厚δ。

同時(shí)，在機(jī)械制造過(guò)程中務(wù)必要控制好坡口或者根部間隙造成的影響，制作時(shí)應(yīng)該在平臺(tái)平面度控制在2 mm的專用平臺(tái)下料開(kāi)坡口處進(jìn)行，下料尺寸、鋼板畫(huà)線務(wù)必要精確。還要特別注意控制鋼板卷制過(guò)程中卷板機(jī)卷輥軸心線和鋼板寬度中心線的垂直度，若事先已經(jīng)開(kāi)好縱縫的坡口,那么再開(kāi)坡口,那么間隙就隨之增加，那么必然需要重新修整坡口。若不垂直,那么,容易造成縱縫間隙過(guò)大，縱縫的修整工作量過(guò)多。

3.2.2 自由收縮

在焊接結(jié)構(gòu)件焊接之前，應(yīng)該讓焊接后收縮變形與結(jié)構(gòu)反變形相互抵消,從而大幅度降低或者消除焊接變形，所以，我們應(yīng)該先焊縱向焊縫的內(nèi)側(cè)，然后再進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠囱b，讓基準(zhǔn)圓半徑略小于拼裝構(gòu)件的圓半徑，兩圓在焊接收縮后就會(huì)達(dá)到基本重合的狀態(tài)，角變形就會(huì)得到較好地消除。值得注意的是，由于板厚、管徑各異不同,那么兩圓的半徑可以由施工實(shí)踐中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出。

3.3 消除變形

目前主要有機(jī)械加壓矯正變形法和火焰加熱矯正變形法能夠?qū)⒁汛嬖诘暮附託堄嘧冃芜M(jìn)行有效地消除，這是經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐和理論研究得以證實(shí)的。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，有效地控制焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形極為重要，具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義，我們?cè)谌粘Ｉa(chǎn)活動(dòng)中，應(yīng)該盡可能地多去完善焊接工藝，從而能夠在最大程度上將焊接結(jié)構(gòu)件的焊接變形問(wèn)題控制住。

[1] 張永興.大型儲(chǔ)罐施工中的焊接變形控制[J].石油工程建設(shè)，2002(1)：111-113.

[2] 王貞國(guó).利用焊接線能量控制薄板變形[J].造船技術(shù)，1997(2)：154-157.

[3] 黃小榮.大型攪拌槽筒體的焊接工藝[J].有色設(shè)備，1998(6)：134-137.

[4] 王濤.不銹鋼管箱焊接變形的控制工藝措施[J].焊接技術(shù)，2000(2)：100-103.

[5] 馮永祥.目鏡頭外殼體焊接變形的控制[J].焊接技術(shù)，2002(5)：154-157.

[6] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)．焊接手冊(cè)[M].第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．