焊接變形原因分析及控制方法

李靚怡

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 130062）

焊接變形原因分析及控制方法

李靚怡

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 130062）

在工業(yè)生產(chǎn)中，焊接作業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。但在焊接過程中，如果未能做好焊接變形控制，就會(huì)導(dǎo)致焊接質(zhì)量受到影響?；谶@種認(rèn)識(shí)，本文對(duì)焊接變形原因及控制方法展開了分析，以期為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

焊接變形；原因；控制方法

引言

在焊接焊件過程中，焊件的使用質(zhì)量會(huì)因焊接變形而受到影響。如果焊接變形超出了材料允許限值，還將導(dǎo)致材料斷裂，繼而造成材料浪費(fèi)。加強(qiáng)焊接變形的原因分析，則能夠幫助焊接作業(yè)人員掌握導(dǎo)致焊接變形的各相因素，并制定有效措施進(jìn)行焊接變形的控制。因此，相關(guān)人員還應(yīng)該加強(qiáng)焊接變形原因和控制方法研究，以便為焊接質(zhì)量提供更多的保證。

1 焊接變形原因分析

焊接變形的產(chǎn)生，主要是由于焊件內(nèi)部產(chǎn)生了焊接應(yīng)力。在焊接過程中，焊件局部將經(jīng)歷加熱后冷卻凝固的熱過程。在不均勻的溫度場(chǎng)下，焊件會(huì)出現(xiàn)不均勻膨脹和收縮，從而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力。目前，常見焊接變形包含橫向收縮變形、波浪變形、彎曲變形等，導(dǎo)致焊接應(yīng)力和變形產(chǎn)生的原因則與材料、結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)。

1.1 材料原因

在焊接過程中，使用的焊接材料和焊接母材都會(huì)對(duì)焊接變形產(chǎn)生直接影響。對(duì)焊接變形來講，材料本身的熱物理性能和力學(xué)性能將會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大影響。比如，在材料熱傳導(dǎo)系數(shù)較小的情況下，焊接中就會(huì)出現(xiàn)較大的溫度變化，從而導(dǎo)致焊接材料出現(xiàn)明顯變形。而材料的熱物理性能對(duì)焊接變形將產(chǎn)生較為復(fù)雜的影響，其中主要影響因素為熱膨脹系數(shù)。該系數(shù)越大，材料變形也就越大。目前，使用的焊接材料及母材多為金屬制品，具有金屬特有的力學(xué)性能和熱物理性能參數(shù)。在材料處在高溫區(qū)時(shí)，焊接變形將會(huì)受到材料屈服極限和彈性模量的影響。

1.2 結(jié)構(gòu)原因

相較于其他因素，結(jié)構(gòu)因素對(duì)焊接變形產(chǎn)生的影響最大。在焊接過程中，焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將對(duì)焊接變形產(chǎn)生復(fù)雜影響。從總體上來看，結(jié)構(gòu)拘束度越大，焊接殘余應(yīng)力就越多，焊接變形則較小。但在焊接的過程中，結(jié)構(gòu)工件的拘束度將會(huì)不斷變化。在結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的情況下，其拘束度將發(fā)揮主導(dǎo)作用，并隨著復(fù)雜度增加。具體分析可以發(fā)現(xiàn)，在焊縫截面積較大的情況下，其在冷卻過程中將引發(fā)較大塑性變形，并對(duì)橫向、縱向變形產(chǎn)生一致影響趨勢(shì)。此外，焊接變形也將受到接頭形式等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素的影響。比如采取不同的接頭形式，就會(huì)對(duì)角度、橫向和縱向的變形量產(chǎn)生不同影響。

1.3 工藝原因

相較于焊接結(jié)構(gòu)和材料，焊接工藝對(duì)焊接變形產(chǎn)生的影響更加復(fù)雜，將產(chǎn)生多樣化影響。在焊接過程中，焊接輸入電流電壓量、固定方法、夾具應(yīng)用、焊接方法和焊接順序等因素都會(huì)對(duì)焊接變形產(chǎn)生影響。比如在焊接熱輸入上，如果熱輸入較大，高溫區(qū)范圍就更大，冷卻速度也越慢，接頭塑性變形也將越明顯。在焊接方法選擇上，使用不同焊接方法產(chǎn)生的熱輸入并不相同。在常用的焊接方法中，相較于CO2氣體保護(hù)焊和手工電弧焊，埋弧焊具有最大的熱輸入，產(chǎn)生的收縮變形最大。使用多層焊接方法，第一層焊縫將出現(xiàn)較小的橫向收縮，之后則層別則相當(dāng)于無間隙對(duì)接焊[1]。而在這些因素中，焊接順序?qū)?duì)焊接變形產(chǎn)生最為顯著的影響。通過改變焊接順序，則能夠使焊接殘余應(yīng)力分布和狀態(tài)得到改變，從而使焊接變形得以增大或減小。

2 焊接變形控制方法

2.1 材料應(yīng)力的控制

想要使焊接變形得到嚴(yán)格控制，還要在焊接之前做好材料性能分析，以便采取有針對(duì)性的防治措施。比如在焊接厚度小于6mm的薄壁材料時(shí)，該種材料具有較好的韌性，通常可使用剛性固定法減小焊接變形。使用該方法，可以不考慮焊接順序。針對(duì)焊接完成后將產(chǎn)生的較大殘余應(yīng)力，可配合使用反變形法，從而獲得更好的焊接效果。但針對(duì)大件，則不適合采取該種焊接方法。

2.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力的控制

采取合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施，也能實(shí)現(xiàn)焊接變形的有效控制。①在焊縫設(shè)計(jì)上，可以利用焊縫尺寸、形式和焊接變形的關(guān)系進(jìn)行焊縫設(shè)計(jì)，即在滿足承載要求的基礎(chǔ)上，盡可能選擇能夠減小焊縫尺寸的焊縫形式。②在焊縫數(shù)量設(shè)計(jì)上，應(yīng)該通過減少焊縫數(shù)量控制焊接變形。為此，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)減少不必要的焊縫，以滿足焊接變形控制需求[2]。③在焊縫位置設(shè)計(jì)上，應(yīng)盡量在中性軸附近布置焊縫，從而使柱、梁等結(jié)構(gòu)的變形得到減少。

2.3 工藝過程的控制

目前，焊接人員在實(shí)現(xiàn)焊接變形控制時(shí)，主要是從工藝角度采取控制措施。①在焊接前，需要對(duì)焊接變形狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后根據(jù)預(yù)測(cè)得到的形變大小和方向完成與焊接變形方向相反、大小相同的形狀制作，然后將其與焊接產(chǎn)品裝配在一起，以便進(jìn)行預(yù)留變形的抵消。在焊接薄板等平面結(jié)構(gòu)之前，需要通過預(yù)拉伸使構(gòu)件產(chǎn)生一定張力或熱膨脹，從而進(jìn)行焊接變形的抵消。此外，也可以使用夾具進(jìn)行焊件剛性固定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)角變形和彎曲變形的控制。②在焊接過程中，需要做好焊接順序和焊接方法的選擇，并做好焊接參數(shù)控制。比如在焊接鋁合金時(shí)，使用焊槍對(duì)母體兩側(cè)加熱，就能減小電弧金屬變形。而使用激冷法和碾壓法等方法，也能夠使焊接變形得到控制。③在焊接后，可以對(duì)成型焊接變形進(jìn)行控制和矯正。目前，主要可以使用加熱和機(jī)械手段達(dá)成這一目的。根據(jù)材料性能和變形程度，可以選擇局部加熱或整體加熱方式利用材料剛性和熱膨脹間相互作用進(jìn)行焊接變形抵消[3]。此外，也可以使用電磁脈沖、焊縫滾壓和錘擊等方式實(shí)現(xiàn)焊接變形矯正。

3 結(jié)論

工件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在很大程度上將受到焊接質(zhì)量的影響。加強(qiáng)焊接變形原因的分析，并采取適當(dāng)?shù)目刂品椒ǎ瑒t能使工件質(zhì)量得到有效提高，進(jìn)而使工件得到更好的運(yùn)用。因此，相信本文對(duì)焊接變形原因及控制方法展開的研究，可以為相關(guān)工作的開展帶來啟示。

[1]彭斌，周平香，趙霞.汽車車架焊接變形及控制方法[J].熱加工工藝，2011，07：164～165+170.

[2]左延紅.挖掘機(jī)動(dòng)臂焊接變形及其控制方法探析[J].現(xiàn)代制造工程，2012，06：88～91.

[3]趙 敏，尹玉婷.焊接變形控制方法在胎具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2012，09：59～61.

TG404

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1004-7344（2016）29-0232-01

2016-9-28

李靚怡（1987-），女，漢族，遼寧葫蘆島人，助理工程師，學(xué)士，2010年畢業(yè)于大連交通大學(xué)焊接專業(yè)，研究方向?yàn)楹附印?/p>