結構件的焊接工藝與變形探討

王冬 楊靜

【摘要】在油田的設備加工制作中，需要大量的結構件焊接，焊接的過程中會存在焊接應力及變形，本文主要是討論結構件的焊接工藝，以及減少焊接變形的具體措施。

【關鍵詞】焊接工藝 應力 變形

在油田設備的制作加工中，需要進行大量的結構件焊接，焊接結構相對于其他的加工方式有生產工藝簡單、節(jié)省材料、制作周期短等多方面優(yōu)點，而且對于特定的結構形狀，可以達到別的加工方法無法完成的結構。由于焊接過程中存在的殘余應力和焊接變形，會直接影響到產品的質量，本文主要是通過研究探討結構件的焊接工藝及相關變形問題，來努力提高企業(yè)在結構件焊接的工藝水平，實現(xiàn)更大的經濟價值。

1 結構件的焊接工藝

結構件的焊接工藝是保證產品質量的重要途徑，直接影響了焊接的質量和結構件的穩(wěn)定性。焊接工藝主要包括型材的預處理、下料、焊接方法、材料、設備以及輔助材料、工具等。

1.1 型材的預處理及下料

為了保證焊接的質量，在焊接前必須進行型材的預處理，除去金屬表面附著的油污、銹、氧化皮和灰塵等，以免出現(xiàn)夾渣、氣孔等焊接缺陷，同事提高金屬表面的耐腐蝕性和粗糙度，利于后續(xù)噴漆等操作。型材的預處理分為化學處理和機械處理，化學處理如酸洗，機械處理有噴丸法、拋丸法和人工打磨等，具體需要根據工件的要求來制定。結構件的下料分為熱切和冷切。熱切有火焰切割、光能切割和電能切割，冷切有剪切和沖裁兩種。對于油田特種設備的生產過程中，使用最多的熱切是數控火焰切割，這種方式能在切割質量和變形方面有很好的控制，其高精度和效率的提高，且不需要經過二次拼焊，提高了工作效率和產品質量。

1.2 焊接方法與設備

結構件的焊接常采用氣體保護焊進行焊接，一般有二氧化碳保護焊和混合氣體保護焊，混合氣體為90%氬氣和10%二氧化碳。混合氣體保護焊可加強焊接電弧和熔池深度，減少了焊接飛濺和焊接后的打磨工作量，保證了焊接的質量。由于焊接的特殊性，結構件的焊接會、就不可避免的出現(xiàn)變形，應對此類變形多采取拼焊定位工裝，制定合理的焊接順序和走向，還可在焊接前加工工件使其反方向變形，與焊接應力變形后中和后保證產品到達技術要求。在焊接的方法上，主要采取以下常用工藝：盡量減少焊道的數量；焊縫的布置相對于零件的中心線對稱；較厚的板采取雙面焊；結構件拼焊時定位基準和零件的設計基準保持一致。

1.3 焊接材料

結構件焊縫的性能質量直接由焊接材料的性能和化學成分決定，焊接材料的選用原則是焊縫金屬的性能高于或等于母材的性能，對于一些特殊焊接還需要考慮材料的焊接性能。如結構件為壓力容器時，焊材的選用還需要依據壓力容器標準以及制造工藝、使用環(huán)境等。

1.4 焊接的輔助及質量保證

在焊接的過程中選用不同的焊接輔助材料和工具就能有效的提高工作效率和產品質量。針對板材和圓形結構件等采用不同的輔助工具，如十字操作架和變位機等，能方便操作者的焊接，降低勞動強度，提高焊接質量。結構件的形式多樣化，雖然采用了必要的質量控制措施和先進的焊接工藝，但是還是會出現(xiàn)一些焊接缺陷，成品中會存在一定的咬邊、氣孔、夾渣等，所以在焊接完工后需要對工件進行檢測，有問題的工件及時返工，對于不重要部件，可做適當的打磨來保證外觀后轉入下道工序，對于重要的焊縫，需要進行超聲波探傷等無損檢測來確保焊縫質量。

2 結構件變形的相關討論

焊接結構件的過程中由于不均勻的加熱和冷卻就形成了應力和變形，熔池金屬的冷卻過程中液態(tài)到固態(tài)的變化以及溫度的降低會使得焊縫收縮，也是應力和變形產生的因素之一。焊接變形就會給后期的裝配工作帶來影響，這就需要在焊接過程中做好變形量的控制，以下主要是從焊接件材料選擇和設計合理的焊接結構方面來討論減少變形的方法。

2.1 選用合理的焊接件材料

焊接件的材料決定了結構件的質量。對于焊接件材料的選擇，首先要根據結構件的受力情況、工作條件以及相關設計要求。主要是從以下幾個方面考慮

（1）盡量選用同種材料。結構件的制作一般是多個零件和構件通過焊接而形成，考慮到焊接過程中的一些工藝，選擇同樣的結構件材料就能利于材料的采購、焊接方法和焊材選擇、焊接工藝的制定。實際生產中，出于成本考慮，還需盡量減少貴重金屬的使用，這就需要綜合考慮結構件對焊接質量要求以及相關成本控制。

（2）選用焊接性能好的材料。對于結構件的材料選擇時，需要從材料的強度、結構件的工作條件等方面考慮。在滿足這些性能后，盡量選用焊接性能好，且適合生產現(xiàn)場焊接方法。在材料滿足焊接方法普通和焊接性能好的前提下，需要考慮經濟性。選用價格低、供應充足易采購的材料，降低成本的同時對于材料的短缺也容易得到補充，有利于提高產品的競爭力。

2.2 設計合理的焊接件結構

焊接件結構穩(wěn)定及形變的關鍵是結構設計，這也關系到焊接結構件的強度、壽命等問題，提高焊接結構設計可以從以下幾個方面來提高。

（1）減少焊縫的數量 結構件由多個零部件焊接而成，在結構件的設計過程中，需要盡量減少零件的數量來減少焊縫數量。這樣就從本質上減少了焊接應力的產生，提高結構件的強度。

（2）焊縫的分布盡量在應力較小處 由于結構件的承載，內部就會產生相應的應力，零部件的形狀不同而受力不一致，在不同的部位和截面產生不同的應力。為了減小焊接的缺陷和應力集中等破壞因素就需要盡量把焊縫布置在受力相對較小的部位。

（3）選擇合適的接頭形式 結構件的焊接接頭性能與質量決定了焊接結構件的穩(wěn)定可靠性。通過大量的焊接接頭試驗研究表明，其對結構件的性能和可靠性以及應用范圍都有著很大的影響作用。熔焊的焊縫主要有對接焊縫和角焊縫，相對應的焊接接頭有對接接頭、角接接頭、T形接頭、搭接接頭和塞焊接頭等。接頭的選擇應優(yōu)先采用形式簡單且應力集中較小而不破壞接頭的連續(xù)性接頭形式。如對接接頭就是一種應力集中小、形式簡單且較少折轉力的傳遞的典型焊接接頭形式。

（4）盡量減少焊縫的截面尺寸、采用對稱焊接 焊接的變形與熔池內金屬的多少有關系，所以可以采用雙U形破口和雙V形破口來代替V形破口，減少焊縫的的截面積，且在焊縫的厚度方向對稱，形成一致的收縮來減少變形。結構件的設計過程中也盡量選用對稱的構件截面焊縫位置，抵消焊接引起的形變。

對于結構件的焊接質量，主要是對焊接應力的防治和消除，減少和校正焊接變形。結構件的焊接是一項較為復雜而系統(tǒng)的焊接工程，由于結構件零部件的數量大，需要再焊接過程中綜合考慮影響焊接質量的結構件材料、預處理方式、焊接工藝及相關的輔助工具使用。對于發(fā)生形變的結構件也要采取正確的矯正措施，來保證質量及安裝要求。

參考文獻

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