工藝支撐在控制座焊接件角變形中的作用及應(yīng)用

曹曉民 馮小靜

1. 概述

由于焊接是一個(gè)非均勻的加熱過程，焊接結(jié)構(gòu)件焊后因溫度應(yīng)力影響，使內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，從而造成焊接件焊接變形。焊接變形按變形的幾何形狀不同分為收縮變形、彎曲變形、角變形、潑浪變形及扭曲變形。其中角變形是比較普遍的一種，每個(gè)焊接件中幾乎都存在，它既影響結(jié)構(gòu)的尺寸，又影響美觀。因此如何控制焊接件的角變形是焊接工作者應(yīng)該解決的問題。下面就我公司生產(chǎn)的三種典型焊接件角變形的控制情況說明如下。

2. 典型焊接件角變形

（1）大型變截面工字梁角變形 圖1為我們批量制造的一種風(fēng)電機(jī)座的變截面工字梁，材料為Q345E，上翼板厚度30mm，下翼板厚度20mm，腹板厚度20mm，翼板與腹板間的焊縫要求開坡口焊透并焊角焊縫，焊后進(jìn)行100%UT檢測。焊前未加任何支撐，自由焊接，焊接參數(shù)如表1所示。

焊接采取多層多道焊，一側(cè)焊縫焊完后，背面碳弧氣刨清根后再焊接，盡量對稱施焊，焊接尺寸達(dá)圖要求，焊后24h探傷并檢測焊接件尺寸。測量角變形選取了三個(gè)位置，分別為梁長度方向的左端、中部和右端。焊接后檢查工件角變形尺寸偏差，如表2所示，Δt如圖2所示。

從表2中可以看出，梁左端的變形較小，中部、右端較大。這是因?yàn)樽蠖硕祟^有擋板增加了剛性，其他部位自由焊接、收縮，所以變形大小不一，焊后火焰矯形，達(dá)技術(shù)要求。該方法存在效率低、成本高，難以形成批量生產(chǎn)。

圖1 大型變截面工字梁

圖2 工字梁角變形示意

表1 焊接參數(shù)

表 6 （mm）

沒有采取任何措施自由焊接自由收縮，該件變形很大，為了控制該件的焊接角變形，我們采取增加剛性工藝支撐的方法來減小變形。通過多次試驗(yàn)，確定了工藝支撐的數(shù)量、厚度、間距，如圖1中虛線所示（焊接參數(shù)同前）為增加的工藝支撐。通過增加工藝支撐后焊接了數(shù)個(gè)工件，測量的變形情況如表3所示，均滿足技術(shù)要求，不用矯形。

增加工藝支撐焊接后檢查工件角變形尺寸偏差，如表3所示，Δt如圖2所示。

（2）小型變截面工字梁角變形 圖3為我們批量制造的一種風(fēng)電機(jī)座的變截面工字梁，材料為Q345D，上翼板厚度20mm，下翼板厚度20mm，腹板厚度15mm，焊縫焊腳為13mm，焊縫焊后進(jìn)行100%MT檢測。焊前未加任何支撐，自由焊接，焊接參數(shù)如表4所示。

焊接采取多層多道焊，一側(cè)焊縫焊完后，對稱施焊其余焊縫，焊接尺寸達(dá)到圖樣要求，焊后24h探傷并檢測焊接件尺寸。測量角變形選取了4個(gè)位置，分別為梁長度方向的左端、中部1/3處、中部2/3處和右端。

焊后檢查工件角變形尺寸偏差（見表5），Δt如圖2所示。

表5中為未加工藝支撐自由焊接后的變形情況，不矯形不能滿足技術(shù)要求。通過試驗(yàn)增加了7道工藝支撐，（增加工藝支撐的焊接參數(shù)同前）在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)工藝支撐間距過大，梁的變形不光存在角變形邊沿，還出現(xiàn)了潑浪狀變形，間距過小焊接存在困難，不利焊接，效率低下。圖3中虛線所示的工藝支撐的尺寸、間距為控制該梁角變形的最佳。通過增加工藝支撐后焊接了數(shù)個(gè)該工件，測量的變形情況如表6所示，全滿足技術(shù)要求。

焊后檢查工件角變形尺寸偏差（見表6），Δt如圖2所示。

（3）箱型梁角變形 圖4為我們批量制造的一種風(fēng)電機(jī)座的箱型梁，材料為Q345E，上面板厚度20mm，下底板厚度20mm，中間筋板厚度15mm，焊縫焊角為10mm，焊縫焊后進(jìn)行100%MT檢測。焊前未加任何支撐，自由焊接，焊接參數(shù)如表7所示。

焊接采取多層多道焊，一側(cè)焊縫焊完后，對稱施焊其余焊縫，焊接尺寸達(dá)圖要求，焊后24h探傷并檢測焊接件尺寸。測量角變形選取了多個(gè)位置，分別橫向、豎向測量其平面度，最大值6 mm/m，最小值3mm/m，均超過了技術(shù)要求。

通過試驗(yàn)在腔體內(nèi)部增加槽鋼焊接件的工藝支撐，如圖5所示。焊接依然按照前述的工藝參數(shù)，焊后測量其平面度在2mm/m范圍內(nèi)，不用矯形即可滿足技術(shù)要求。其他腔體采用相同的方法進(jìn)行。

3. 分析

從上述三種焊接件增加工藝支撐前后的變形情況來看，加或不加可以說效果非常明顯。增加工藝支撐后控制焊接變形的效果更明顯。分析如下：

圖3 小型變截面工字梁

表 3 （mm）

表4 焊接參數(shù)

表 5 （mm）

表 6 （mm）

表7 焊接參數(shù)

圖4 箱型梁結(jié)構(gòu)

圖5 箱型梁增加工藝支撐后示意

（1）盡管工藝支撐是臨時(shí)性的，但它改變了結(jié)構(gòu)的形狀，增加了結(jié)構(gòu)的剛性，改變了結(jié)構(gòu)的抗彎截面系數(shù)，抵消了殘余應(yīng)力引起的變形。

（2）工藝支撐增加后改變了結(jié)構(gòu)的散熱狀況，由三個(gè)方向散熱變成了多個(gè)方向散熱，使溫度應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力變小，焊接變形變小。

（3）工藝支撐的板厚、間距、結(jié)構(gòu)形狀等對控制焊接角變形影響很大，需要試驗(yàn)確定各參數(shù)，否則難以起到控制變形效果。

4. 結(jié)語

作為焊接結(jié)構(gòu)件加工的企業(yè)，加工的焊接結(jié)構(gòu)件形狀、尺寸千變?nèi)f化，相差很大，焊接變形無處不在，焊接角變形不可避免。本文提供了幾種典型焊接結(jié)構(gòu)件通過增加工藝支撐來控制角變形的方法，可以說效果好，效率高，值得借鑒。