大型結(jié)構(gòu)件焊接變形控制淺談*

趙忠剛

(山東能源機(jī)械集團(tuán)，山東泰安 271222)

0 引言

山東能源機(jī)械集團(tuán)在制造各類煤礦機(jī)械的過程中，焊接結(jié)構(gòu)件是主要內(nèi)容之一。在對大型結(jié)構(gòu)件制做過程中，焊接變形是不可完全避免的，其焊接變形嚴(yán)重影響著結(jié)構(gòu)件的制造精度、加工效率及成本控制;同時(shí)，結(jié)構(gòu)件的焊接變形還會增加結(jié)構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力，并對焊道引起拉傷、撕裂、扭曲、彎折等危害，弱化了結(jié)構(gòu)件的整體強(qiáng)度［1］。因此，結(jié)構(gòu)件的焊接變形成了公司重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。

1 減小結(jié)構(gòu)件焊接變形的措施

當(dāng)然，體積很小的結(jié)構(gòu)件有的是不會產(chǎn)生焊接變形的，但其焊道收縮的內(nèi)應(yīng)力卻是必然存在的，或許由于結(jié)構(gòu)件板材較厚、體積小、焊道少，使其焊道收縮內(nèi)應(yīng)力還未達(dá)到讓其變形的情況。但是，大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形是必然存在的，只是大小的問題。目前，減小和控制大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形，可從以下兩方面實(shí)施。

1．1 從設(shè)計(jì)方面減小焊接變形的措施

很多大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形主要是由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致的，這往往是生產(chǎn)廠家忽略的問題，廠家只是一味從施工方面進(jìn)行控制和減小結(jié)構(gòu)件焊接變形［2］。從設(shè)計(jì)方面控制結(jié)構(gòu)件焊接變形就是針對部分結(jié)構(gòu)件的焊接變形從源頭上實(shí)施的控制，否則，有些結(jié)構(gòu)件的焊接變形是無法減小的。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件時(shí)，可以從以下方面進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到控制焊接變形。

(1)貼板類組件。在大型結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中，有很多組件是由兩板貼合組焊而成的。在焊接這類組件的過程中，貼合的兩板由于焊道的收縮，必然發(fā)生中間部位“鼓肚”的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致兩板貼合不實(shí)。當(dāng)產(chǎn)品在使用過程中受到較大載荷時(shí)，其鼓肚現(xiàn)象還會增大，存在著進(jìn)一步導(dǎo)致焊道橫向變形加劇或撕裂的隱患。為此，對于大型貼合板組件，要根據(jù)其面積和板的厚度及焊道大小而引起貼合板焊接變形的程度，在貼合板上增設(shè)塞焊孔，從根本上杜絕了貼合板的鼓肚現(xiàn)象。

(2)角焊道結(jié)構(gòu)優(yōu)化。角焊道是結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中采用的焊道方式最多的情形，但是，單邊角焊道往往存在著使大型結(jié)構(gòu)件發(fā)生較大的焊接變形的重大隱患。所以，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件時(shí)，盡量采取對稱式的角焊道，以控制和減小結(jié)構(gòu)件的焊接扭曲及彎折等。

(3)坡口類焊道代替單邊角焊道。對于質(zhì)量要求嚴(yán)格而確實(shí)無法實(shí)施對稱焊接的角焊道，務(wù)必要改為坡口焊道的設(shè)計(jì)方式。因?yàn)?，坡口焊道收縮對板材的受力影響是導(dǎo)致板材受到和板面基本平行的縱、橫拉力，對板材變形方面只有很小的彎曲效應(yīng)。

(4)對于精度要求較高的結(jié)構(gòu)件，可以設(shè)計(jì)為分體焊接，焊后進(jìn)行機(jī)械加工;對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，再結(jié)合通常的組件焊接變形情況和部件精度要求，進(jìn)一步對其中的組件進(jìn)行組焊后機(jī)械加工，最后，整體組焊成型的設(shè)計(jì)方式。

(5)筋板的設(shè)計(jì)優(yōu)化。對于跨主筋板焊道的橫向筋板，要在其與主筋板焊道的接觸處設(shè)計(jì)讓道“豁口”，以減小結(jié)構(gòu)件整體的成型間隙和交叉焊道的集中收縮而造成的較大焊接變形;同時(shí)，為減小結(jié)構(gòu)件的焊接變形，對橫向筋板的上方尺寸須控制在“無間隙”的焊接狀態(tài)，只是成型時(shí)將底板橫向預(yù)彎一定的角度，成型的實(shí)際情況還是有間隙的，只是焊后的結(jié)構(gòu)件達(dá)到無間隙焊接的效果。對于主筋板貼合處尺寸，根據(jù)通常結(jié)構(gòu)件的焊后變形量，可采取“兩端稍高，中間略洼”的設(shè)計(jì)狀態(tài)，從設(shè)計(jì)上起到預(yù)先“反變形”。

(6)結(jié)構(gòu)件的材質(zhì)選擇。在保證結(jié)構(gòu)件使用強(qiáng)度的條件下，盡量選擇碳當(dāng)量較低的母材，達(dá)到減小焊接的預(yù)熱溫度或?qū)崿F(xiàn)無預(yù)熱焊接效果，以控制結(jié)構(gòu)件的焊接變形量。

1．2 從施工方面減小焊接變形的措施

在對大型結(jié)構(gòu)件實(shí)施焊接過程中，其焊接變形和焊道裂紋是重點(diǎn)控制對象，而許多焊道裂紋［3］是由于結(jié)構(gòu)件的焊接變形引起的。

(1)選擇氣體保護(hù)焊接方式，以較小的焊接熱輸入量來控制結(jié)構(gòu)件的焊接變形量。

(2)成型時(shí)，預(yù)先根據(jù)結(jié)構(gòu)件的變形部位和變形大小，對其采取對應(yīng)的反變形，或者采取“背對背”的方式進(jìn)行控制變形程度。

(3)對于薄型件，采取將其焊接邊緣預(yù)先壓緊的方式進(jìn)行施焊。

(4)對于高精度結(jié)構(gòu)件，采取預(yù)先機(jī)械加工各零部件的組焊方式，以減小或控制由于成型間隙導(dǎo)致的焊接變形。

(5)對部件打底焊之前，必須先補(bǔ)焊其較大的成型間隙或缺口，預(yù)先減小成型間隙，控制其焊接變形情況。

(6)對關(guān)鍵件和焊接變形較大的零部件可采取整體預(yù)熱的方式，使工件的熱脹冷縮變形與焊道的冷縮達(dá)到同步的效果，以控制其焊接變形狀態(tài)。

(7)選擇較小的焊接參數(shù)，控制焊接線能量的輸入，盡量減小焊接的熱輸入，做好溫度控制，防止急冷，從根本上控制結(jié)構(gòu)件的焊接變形。

(8)對于特長的焊道，可采取分段焊接的方式，以減少焊道的熱量集中誘發(fā)的焊接變形;對于較長的焊道，也可采取從焊道中間向兩端施焊的方式，以使被焊接的組件達(dá)到同步熱脹的統(tǒng)一變形狀態(tài)，最終，達(dá)到同步冷縮的效果，杜絕了由于變形量不等而造成的結(jié)構(gòu)件焊接扭曲、褶皺及彎折式的綜合變形情況。

(9)對結(jié)構(gòu)件的對稱角焊道，盡量采取采取同步對稱焊接的方式;對于無法避免的單邊角焊道，盡量采取分段焊接的方式，防止由于焊道熱值的極度增大和長久保持而導(dǎo)致的嚴(yán)重焊接變形。

(10)采取多層多道焊接方式以控制焊道的溫度，減少由于較高的焊接溫度帶來的焊件熱脹量，控制焊接變形量。

(11)在焊接過程中，對焊道要及時(shí)進(jìn)行高頻錘擊。對于精度要求較高和變形嚴(yán)重的焊件，最好是邊焊接邊錘擊，用焊道延展的方法減小焊接變形量。

(12)對于面積相對較大的焊件，盡可能采取邊焊接邊整形的方式，將變形量控制在焊接的過程中，防止焊完后出現(xiàn)無法整形的變形情況。

(13)對于復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)件，可以采取分體施焊再組焊的方式，防止熱量集中而造成的長時(shí)間高溫下的大幅度變形。

(14)在變形較大的部位增設(shè)足夠強(qiáng)度的撐筋，并預(yù)留部分焊接后的收縮量，進(jìn)一步控制焊接變形。

(15)在焊接大型薄類結(jié)構(gòu)件時(shí)，可采取對焊接部位之外的地方加水冷卻控制整體結(jié)構(gòu)件溫度的方法，達(dá)到控制變形的效果。

(16)形狀復(fù)雜且面積較大的部件，可采取對焊接部位實(shí)施高溫預(yù)熱，以使工件焊后達(dá)到與焊道同步收縮的效果，控制焊接變形量。

2 結(jié)語

總之，從設(shè)計(jì)方面控制結(jié)構(gòu)件焊接變形是必要的因素之一，能從源頭上控制結(jié)構(gòu)件部分焊接變形的效果，除上述分析外，在實(shí)際設(shè)計(jì)中還會有其它引起焊接變形的情況，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該做到充分、細(xì)致的考慮，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，力爭做到從設(shè)計(jì)源頭上控制部分焊接變形。從施工方面控制焊接變形的情況更加繁瑣，施工人員必須掌握金屬材料熱脹冷縮的特性，明確金屬液體變?yōu)楣腆w的收縮狀態(tài)，熟知焊接間隙和熱量的各類控制因素及反變形控制方法。對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件焊接時(shí)，可以采取工藝驗(yàn)證的方式進(jìn)行摸底。大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形是必然的，只是變形大小的問題，要結(jié)合實(shí)際情況采取得當(dāng)?shù)姆椒右詼p小和控制，以提高產(chǎn)品的焊接質(zhì)量和綜合成本控制，提高產(chǎn)品的整體制做效率和社會效益。

［1］ 陳祝年．焊接工程師手冊［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002．

［2］ 李亞江，張永喜，王 娟．焊接修復(fù)技術(shù)［M］．第二版．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008．

［3］ 王 勤，朱援祥，王莉莉．焊接接頭殘余應(yīng)力的計(jì)算模擬［J］．機(jī)械，2014(10):27-29．