薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的預(yù)測與控制

趙彬

摘 要：現(xiàn)階段，隨著我國工業(yè)制造技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，薄板結(jié)構(gòu)逐漸被廣泛應(yīng)用于汽車、鐵路、海上船舶等多個領(lǐng)域的生產(chǎn)實(shí)踐中。因薄板結(jié)構(gòu)在焊接環(huán)節(jié)受多種因素影響，極易出現(xiàn)焊接變形，既降低了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又縮短了其使用壽命。圍繞薄板結(jié)構(gòu)，著重對焊接環(huán)節(jié)較易導(dǎo)致變形的原因加以預(yù)測和控制，以期為提高薄板結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量提供借鑒。

關(guān)鍵詞：薄板結(jié)構(gòu)；焊接質(zhì)量；收縮變形；彎曲變形

中圖分類號：TG457.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.04.060

薄板結(jié)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)和制造領(lǐng)域中的應(yīng)用較為普遍，各行業(yè)在使用薄板結(jié)構(gòu)時，在焊接過程中均易出現(xiàn)變形問題，從而影響到薄板結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量?；诖?，在應(yīng)用薄板結(jié)構(gòu)時，應(yīng)對導(dǎo)致其焊接變形的原因加以分析，并在此基礎(chǔ)上做好焊接變形的預(yù)測和控制工作，以保障薄板結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量，延長其使用壽命。

1 薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的原因和類型

薄板結(jié)構(gòu)焊接變形產(chǎn)生的最主要的原因是在焊接時，因受熱面不均衡而導(dǎo)致薄板焊接區(qū)出現(xiàn)溫差。薄板材料焊接溫度較高的區(qū)域受高溫影響而膨脹，而焊接溫度較低的區(qū)域，其膨脹量要小于高溫區(qū)域，因此無法自由膨脹，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生。在內(nèi)應(yīng)力的作用下，焊接溫度較高的區(qū)域就極易發(fā)生壓縮應(yīng)變，進(jìn)而造成薄板結(jié)構(gòu)焊縫及其周邊金屬收縮，而其他部位的金屬不具備同樣的溫度條件，出現(xiàn)反收縮現(xiàn)象，在收縮和反收縮的應(yīng)力作用下，薄板結(jié)構(gòu)就出現(xiàn)了不同程度的變形。

除了因焊接溫度不同而引發(fā)薄板內(nèi)應(yīng)力變化這一根本原因外，焊接方法和焊接材料的選擇也是引發(fā)薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的重要因素。薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的類型主要有以下幾種：①收縮變形。依據(jù)焊縫方向的不同，收縮變形又可以分為橫向收縮變形和縱向收縮變形。②彎曲變形。彎曲變形是在收縮變形的基礎(chǔ)上形成的，主要包括橫向彎曲變形和縱向彎曲變形兩類。③扭曲變形。這一變形類型源于薄板結(jié)構(gòu)件軸線扭曲。④波浪變形。波浪變形的產(chǎn)生與焊接時的壓縮應(yīng)力有很大的關(guān)系。

2 薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的預(yù)測和分析

在薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的預(yù)測和分析方面，業(yè)界主要采用有限元方法，即“FEM”法，對焊接過程加以跟蹤和檢測，以獲取、計算薄板結(jié)構(gòu)焊接中產(chǎn)生的變形精確值。在采用有限元方法時，如果涉及到焊接溫度、焊接相變、焊接塑性等變量的計算和分析，可以采用固有應(yīng)變法輔助。此外，固有應(yīng)變法適用于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、型號和規(guī)格較大的薄板結(jié)構(gòu)件。對于薄板焊接環(huán)節(jié)熱應(yīng)力及其變量的跟蹤和計算，主要采用熱彈塑性分析法對在焊接薄板結(jié)構(gòu)時產(chǎn)生的應(yīng)力和變形情況進(jìn)行分析。隨著工業(yè)測繪技術(shù)和新興技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段，在薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的預(yù)測方面出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)屈曲分析和熱彈塑性模擬等技術(shù)。這些二維或三維模擬、計算技術(shù)的運(yùn)用，可以簡化預(yù)測和計算流程，提升預(yù)測的精確性。比如在對碳素結(jié)構(gòu)鋼，即Q25薄板結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接時，要求材料厚度為5 mm，焊接方式為氣保焊；在對其進(jìn)行焊接變形預(yù)測時，可以采用CAE軟件建立FEM模型，然后獲取焊縫大小、焊接應(yīng)力、焊接溫度等變量值，并借助三維結(jié)構(gòu)屈曲分析方法、模擬軟件模型、有限元軟件、焊接變形計算公式等對薄板結(jié)構(gòu)焊接變形加以預(yù)測和分析。

3 薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的控制方法

3.1 科學(xué)選擇焊縫位置和焊縫形式

在選擇焊縫位置和焊縫形式時，需要注意以下幾點(diǎn)：①在焊接薄板結(jié)構(gòu)時，對于焊縫位置的選擇，應(yīng)使其與薄板截面的中軸對稱，盡量縮短焊縫與薄板中軸間的距離。為避免焊縫集中于薄板中軸，導(dǎo)致其焊接彎曲變形程度加深，可以采用弱對稱放置方式，以減少焊接變形。②由于薄板橫、縱向收縮在表現(xiàn)上呈現(xiàn)出一定的差異性，因此，所選的焊縫位置要盡量平行于薄板焊接變形和收縮程度較小的部位。③在薄板結(jié)構(gòu)焊接設(shè)計環(huán)節(jié)，要對薄板結(jié)構(gòu)的分部件予以足夠重視，及時做好分部件的焊接工作。④在確定薄板焊接平板厚度時，應(yīng)盡量縮短骨架間距，并調(diào)低焊縫和焊腳的位置，從而使薄板在焊接過程中保持較高的穩(wěn)定性，以減少焊接變形。⑤在選擇薄板結(jié)構(gòu)焊接設(shè)計方法時，應(yīng)盡量避開曲線構(gòu)件較多的設(shè)計方法，優(yōu)先選擇焊接夾具較為簡單的設(shè)計方法。

3.2 合理選擇焊接工藝

在薄板結(jié)構(gòu)的焊接中，焊接工藝包括反變形焊接工藝和剛性固定變形工藝。在焊接過程中，應(yīng)采用科學(xué)的焊接工藝，達(dá)到減少焊接變形的目的。薄板結(jié)構(gòu)的反變形焊接工藝是指通過對薄板結(jié)構(gòu)在焊接過程中所產(chǎn)生的焊縫方向和焊縫變形加以預(yù)測，使薄板結(jié)構(gòu)焊接變形朝著相反的方向，從而達(dá)到消除變形應(yīng)力的目的。薄板結(jié)構(gòu)的剛性固定焊接工藝是指借助剛性焊接夾具，將薄板焊接件加以固定，以達(dá)到增強(qiáng)薄板結(jié)構(gòu)件剛度的目的。薄板焊接件的固定應(yīng)在焊縫完全冷卻后進(jìn)行。

為了使薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的控制效果更加明顯，可以在選用以上兩種焊接工藝的基礎(chǔ)上，合理搭配其他類型的焊接工藝。比如，為了避免在規(guī)格較小的薄板結(jié)構(gòu)中形成焊接熱場，可以采用散熱法對其溫度應(yīng)力進(jìn)行消除，以最大限度地減少焊接變形；在薄板結(jié)構(gòu)焊接開始前，可以采用壓鐵法輔助，即在薄板結(jié)構(gòu)的焊接縫旁設(shè)置壓鐵，以控制焊接變形量；為了避免薄板結(jié)構(gòu)在焊接中出現(xiàn)壓縮失穩(wěn)現(xiàn)象，可以采用低應(yīng)力的焊接工藝，即在焊接應(yīng)力產(chǎn)生時，采用銅塊墊置、剛性固定和通水冷卻等方式分散或消除應(yīng)力。

3.3 提高焊接方法的科學(xué)性和規(guī)范性

在焊接時，一方面，要根據(jù)薄板結(jié)構(gòu)的焊接要求選擇相應(yīng)的焊接工藝；另一方面，要注意科學(xué)、規(guī)范操作，以保障焊接質(zhì)量。在選擇焊接方法時，需要注意以下三點(diǎn)：①焊接方法的能量密度數(shù)值應(yīng)較高，以減少焊接變形；②要限制焊接線能量，以有效控制焊接變量；③對于薄板結(jié)構(gòu)件對稱性不佳的情況，在焊接參數(shù)和焊接夾具的選擇上應(yīng)有所變化，焊接參數(shù)的設(shè)置和選取以能夠有效控制焊接彎曲變形為準(zhǔn)。

嚴(yán)格控制焊縫數(shù)量十分重要。從產(chǎn)生機(jī)理來看，焊接變形產(chǎn)生的根本原因是受熱均衡程度不一，因此，其變形多發(fā)生于焊縫處。為此，在設(shè)置焊縫數(shù)量時，要本著少設(shè)的原則，減少不必要的焊縫；在焊接件的選擇上，應(yīng)該優(yōu)先選擇沖壓件和型鋼件。

在焊縫缺陷的矯正方面，要采用相應(yīng)的矯正方法。常用的矯正方法主要有以下兩種：①火焰加熱法。該方法是指用氣體火焰對薄板焊接構(gòu)件進(jìn)行加熱處理，并對塑性變形和冷卻變形加以矯正。②機(jī)械矯正法。該方法所用的矯正機(jī)械為錘、輥等，通過對薄板結(jié)構(gòu)施加外力，降低其變形程度。需要注意的是，不管采用哪一種矯正方法，都要結(jié)合薄板結(jié)構(gòu)的焊接環(huán)境、用具、溫度等因素，以提高矯正質(zhì)量。

4 結(jié)束語

綜上所述，薄板結(jié)構(gòu)在焊接過程中出現(xiàn)的變形問題是薄板結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造及焊接行業(yè)致力研究的課題之一，從某種程度上看，也是制約薄板結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)水平進(jìn)一步提升的難題。在掌握薄板結(jié)構(gòu)焊接變形原因和類型的基礎(chǔ)上，焊接人員應(yīng)借助先進(jìn)的軟件對焊接變形進(jìn)行預(yù)測，并對焊接工藝、焊縫矯正方法等進(jìn)行科學(xué)控制，以提高薄板結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量。

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〔編輯：劉曉芳〕