煤礦機(jī)械制造過程中的焊接變形因素及其控制工藝

黃國鋒

摘要：焊接是機(jī)械產(chǎn)品加工制造過程中的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，但在焊接過程中由于難以避免的焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生，直接影響著焊接工件的尺寸精度、材質(zhì)強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性以及其他各項(xiàng)工藝性能。因此，如何有效防范和控制焊接變形產(chǎn)生，最大限度地降低應(yīng)力產(chǎn)生與變形，從而有效地提高機(jī)械設(shè)備的制造質(zhì)量，提升其使用的安全可靠性，成為一個(gè)值得思考的話題。

關(guān)鍵詞：焊接變形；影響因素；控制工藝

中圖分類號(hào)：TG441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）12-0047-02

1 對(duì)焊接應(yīng)力和變形的釋義

焊接是通過加熱、加壓，或兩者并用，使兩工件產(chǎn)生原子間結(jié)合的加工工藝和聯(lián)接方式。焊接應(yīng)用廣泛，既可用于金屬，也可用于非金屬。

在沒有外力的情況下，物體內(nèi)部存在的應(yīng)力稱為內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力在物體內(nèi)部自相平衡，即物體內(nèi)部各方向的內(nèi)應(yīng)力總和等于零。而焊接應(yīng)力則是焊接應(yīng)力是焊接過程中及焊接過程結(jié)束后，存在于焊件中的內(nèi)應(yīng)力。主要有熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、裝配應(yīng)力、相變應(yīng)力等。

焊接變形是在焊接過程中由于焊件不均勻受熱和不均勻溫度場而引起的焊件尺寸的改變。在焊接過程中，不均勻的加熱，使得焊縫及其附近的溫度很高，不受熱的冷金屬部分便阻礙了焊縫及近縫區(qū)金屬的膨脹和收縮，這就容易產(chǎn)生變形。特別是在冷卻后，焊縫就產(chǎn)生了不同程度的收縮和內(nèi)應(yīng)力，就造成了焊接結(jié)構(gòu)的各種變形，這些變形大致可以分為瞬態(tài)焊接應(yīng)力和變形、殘余焊接應(yīng)力和變形兩種類型。在沒有外力作用的條件下，焊接應(yīng)力在焊件內(nèi)部是平衡的。焊接變形的主要形式有收縮變形、角變形、彎曲變形、扭曲變形、波浪變形和錯(cuò)邊變形等多種形式。

2 對(duì)焊接變形帶來的危害分析

焊接變形對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的制造和使用的危害主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）使機(jī)械產(chǎn)品承載能力下降。焊后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和焊接變形降低了接頭性能，使焊件或部件的尺寸改變，引起局部較大的附加應(yīng)力，雖然可以采取矯形手段糾正，但矯正的部位會(huì)消耗掉一部分材料的塑性，導(dǎo)致承受載荷能力下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致脆斷，造成機(jī)械設(shè)備損壞的惡性事故發(fā)生。

（2）使機(jī)械產(chǎn)品裝配質(zhì)量下降。當(dāng)機(jī)械設(shè)備的各部件由于焊接變形導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力，在組裝各部件時(shí)，產(chǎn)生扭曲、錯(cuò)位等情況，造成裝配整體變形，使整個(gè)構(gòu)件喪失穩(wěn)定性，導(dǎo)致設(shè)備裝配質(zhì)量嚴(yán)重下降，有時(shí)甚至產(chǎn)品報(bào)廢。

（3）使機(jī)械產(chǎn)品抗腐蝕性下降。焊接是產(chǎn)生大量的熱，使得焊縫接口與周圍環(huán)境氣體中的C、O、H、N等氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，改變接縫材質(zhì)。矯形后，在強(qiáng)大的外力作用下會(huì)導(dǎo)致焊縫的塑性和韌性明顯變差，導(dǎo)致脆性增加極易產(chǎn)生裂紋，從而使焊接接頭的抗腐蝕性隨之下降。

（4）使機(jī)械產(chǎn)品制造成本增加。焊接變形使機(jī)械部件組裝變得困難，需要經(jīng)過矯形后方可裝配，而校正要消耗大量的人力和物力，給生產(chǎn)增加許多額外的工序，延長了生產(chǎn)周期，影響了生產(chǎn)效率，增加了機(jī)械的制造成本，造成不必要的浪費(fèi)。

3 對(duì)焊接變形產(chǎn)生原因的分析

影響焊接應(yīng)力與變形的因素很多，焊件的不均勻受熱、焊縫金屬的收縮、金相組織的變化及焊件材質(zhì)的不同等等。一般歸納總結(jié)主要有以下三方面的因素。

（1）受材料因素的影響。焊接離不開焊絲和焊接母材，這兩種材料的化學(xué)成分不同，焊接性也不同。當(dāng)前在焊接領(lǐng)域，決定強(qiáng)度和可焊性的因素主要是含碳量。碳當(dāng)量越大，焊接性能越差。

（2）受設(shè)計(jì)因素的影響。機(jī)械產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)樾枰獫M足承重、支撐等能力要求，就必須采用筋板或肋板來提高整個(gè)產(chǎn)品的剛性和穩(wěn)定性。但由于焊接變形的不可控性，采取這樣的設(shè)計(jì)理念自然就難以避免的增加了焊接變形的幾率。

（3）受焊接工藝的影響。焊接常用手工焊、CO2氣體保護(hù)焊、埋弧焊、氬弧焊等多種方式，各種焊接方法差異，使變形也各有差異。同時(shí)，由于受選用的焊接接頭形式的不同和多層多道焊接的影響，也會(huì)使接頭塑性變形區(qū)增大。

4 預(yù)防與控制焊接變形的具體措施

焊接應(yīng)力和變形影響焊件的功能和外觀，給產(chǎn)品制造工藝增加困難，還會(huì)因焊接變形過大導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此必須予以嚴(yán)格控制。

（1）要卡住源頭，從設(shè)計(jì)措施上進(jìn)行預(yù)防。焊接變形的必然性決定了只要有焊接必然有變形和應(yīng)力產(chǎn)生。因此，要將變形的危害量降至最低，在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，一是要合理選擇焊接工件。有效減少和控制不需要出現(xiàn)的焊縫，盡量選用型鋼、沖壓件、鍛件來替代焊接件。同時(shí)要注重優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)筋板、肋板的形狀、位置和數(shù)量，減少因此而產(chǎn)生的焊縫量和變形后的校正工作量。二是要科學(xué)設(shè)計(jì)焊接尺寸。眾所周知，焊縫越寬越深，在受熱后冷卻時(shí)收縮引起的變形量就越大。因此，要在保證產(chǎn)品性能符合設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選用較小的焊腳、坡口尺寸，盡可能的減少焊縫的橫截面積和熔敷金屬量，以減少焊接變形量。三是要合理設(shè)計(jì)焊縫位置。由于焊縫橫向收縮量大于縱向收縮量的特性，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候要充分考慮到這一收縮的特性，盡量將焊縫布置在平行于要求焊接變形量最小的方向，使其與焊件的截面中心線或軸線對(duì)稱，避免設(shè)計(jì)曲線形結(jié)構(gòu)，這樣對(duì)于減少梁、柱等主要支撐結(jié)構(gòu)的變形能起到較好的防范效果。

（2）把握過程，從焊接工藝措施上入手工藝措施是焊接構(gòu)件生產(chǎn)制造過程中所采用的一系列措施，正確地選擇和嚴(yán)格遵守焊接程序，是減小焊接變形和內(nèi)應(yīng)力的有效方法，更是保證焊接質(zhì)量的重要措施。因此，在施焊過程中，要認(rèn)真做好焊前的各項(xiàng)預(yù)防措施。一是可以通過采取反變形法，在焊接時(shí)人為造成與焊接變形量大小相當(dāng)、方向相反的預(yù)變形量，通過焊后變形收縮來抵消預(yù)變形量，使焊接件達(dá)到設(shè)計(jì)要求的幾何形狀和尺寸。這種方法特別適用于機(jī)械設(shè)備的外殼焊接上，保證外殼不會(huì)塌陷；二是可以采取預(yù)拉伸法，通過機(jī)械等形式預(yù)先將焊件拉伸與伸長，并在張緊的鋼板上進(jìn)行焊接，焊后去除預(yù)拉伸，使鋼板恢復(fù)原始狀態(tài)。三是可以采取剛性固定法，通過夾具或剛性胎具將被焊工件加以固定，從而有效降低焊接殘余應(yīng)力，防止變形。但剛性固定法會(huì)使焊接接頭中產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，所以對(duì)于一些抗裂性較差的材料應(yīng)該慎用。四是要針對(duì)不同的構(gòu)件形式采用不同的焊接方法。焊縫位置、結(jié)構(gòu)截面對(duì)稱的焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)先裝配成整體，然后再按一定的焊接順序進(jìn)行生產(chǎn)，反之，則可以分別裝焊成部件，最后再組焊在一起，有效地減少變形。同時(shí)還可以采用合理的焊接方法、工藝參數(shù)、焊接次序，通過先焊短焊縫后焊長焊縫、盡可能采用多層焊代替單層焊、間斷焊接法、強(qiáng)制冷卻法等措施降低焊接殘余應(yīng)力、減小焊接變形。

（3）注重收尾，從焊后矯正上控制。焊接變形一旦產(chǎn)生，就只能通過矯正措施來減小或消除發(fā)生的變形。焊后矯正的措施主要有：一是機(jī)械矯正法。所謂機(jī)械矯正法就是采用手工錘擊、壓力機(jī)、多輥平板機(jī)等多種方式，對(duì)焊件進(jìn)行靜力加壓或輾壓，使原來縮短的部分得到延伸，從而達(dá)到矯正變形的效果。手工錘擊矯形勞動(dòng)強(qiáng)度大，技術(shù)難度高，但無須設(shè)備，是矯正薄板波浪變形的重要方法。壓力機(jī)、多輥平板機(jī)等設(shè)備機(jī)械矯正效率高、速度快、效果好，適用于中、大型焊件焊后的矯形。二是加熱矯正。利用氧乙炔火焰對(duì)焊件進(jìn)行局部或整體加熱時(shí)產(chǎn)生的塑性變形，使較長的金屬在冷卻后收縮，以達(dá)到矯正變形的目的?；鹧婕訜岢C正法的加熱方式有點(diǎn)狀、線狀和三角形三種，主要適用于低碳鋼和沒有淬硬傾向的普通低合金鋼。又可分為整體加熱矯正法和局部加熱矯正，整體加熱主要用于消除較大的形狀偏差。但是這樣的做法容易有副作用，即容易產(chǎn)生冶金方面的一些問題，而局部加熱矯正方法簡便靈活，因此在生產(chǎn)上廣為應(yīng)用。