L形梁焊接變形分析及控制

郭強(qiáng)吉

摘要： 通過分析焊接過程中焊縫位于直角部位且無任何拘束的L形梁時(shí)產(chǎn)生變形的趨勢，確定影響焊接變形的各個(gè)因素，通過焊縫坡口設(shè)計(jì)，焊接夾具設(shè)計(jì)、夾持方法，焊接方法，焊接參數(shù)，焊接層道分布以及焊接層道順序等因素的控制，使L形梁的焊接變形控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)L形梁體構(gòu)件的大批量生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞： L形梁；焊接變形；控制

中圖分類號： TG404

Abstract：The impact of various factors of welding deformation were determined by analyzing the deformation trend of welding seam locating at right angles to the site without any binding of L-shaped beam.By controlling the weld groove design， welding fixture design， holding method， welding method， welding specifications， welding layer and the welding layer channel distribution channel order and other factors to limited the L-shaped beam welding deformation in the range of design requirements.

Key words： L-shaped beam； welding deformation； control

0 前言

出口澳大利亞鐵路罐車采用全焊接牽引梁結(jié)構(gòu)，其中最主要的受力焊縫為牽引梁腹板和下蓋板的焊接，此構(gòu)件形狀酷似L，故稱L形梁。焊縫位于L形梁的直角位置，且焊縫長度2 400 mm，該焊縫為對接焊縫和角焊縫的組合焊縫形式。由于該工件平面度要求在1 mm，垂直度公差要求在2.5 mm，且Q450NQR1材料不能火焰加熱矯正，如何控制焊接變形，成為該構(gòu)件焊接的最關(guān)鍵的難題。

1 焊接變形分析

焊接時(shí)不均勻的加熱是焊接變形的最主要的原因[1]，焊接過程中極易出現(xiàn)撓曲變形、扭曲變形和角變形。要防止焊接變形，必須從引起焊接變形的各個(gè)因素入手分析。

由于焊接過程中不均勻的加熱，引起溫度場的變化，橫向變形沿焊縫長度上的分布并不均勻。這是因?yàn)橄饶痰暮缚p橫向收縮對凝固的焊縫產(chǎn)生一個(gè)擠壓作用，使后者產(chǎn)生更大的橫向壓縮變形。當(dāng)焊縫在構(gòu)件中的位置不對稱時(shí)，焊縫引起的應(yīng)力就是不均勻的，這樣它不但使構(gòu)件縮短，同時(shí)還使構(gòu)件彎曲，產(chǎn)生撓曲變形。

由于焊縫位于構(gòu)件的直角部位，且焊縫在直角內(nèi)側(cè)設(shè)置有角焊縫，這種橫向收縮變形在厚度方向上的不均勻分布導(dǎo)致塑性變形量在厚度上不一致，或者熔化金屬在厚度方向上的不一致，這種變形就是角變形。腹板和下翼板的垂直度保證顯得尤為困難。

2 焊接變形控制措施

針對上述變形趨勢，需要從焊縫的坡口形式、焊接夾具、焊接方法、焊接規(guī)范、焊接順序等方面進(jìn)行控制。

2.1 合理的坡口形式

焊縫兩側(cè)焊接熱輸出的不均衡，對焊接變形影響很大。為了使焊縫兩側(cè)的線能量處于基本平衡，就要考慮焊縫兩側(cè)填充面積基本相等，而且要焊接熱輸入處于最低的狀態(tài)?；谝陨峡紤]，設(shè)置如圖1所示的坡口形式。

2.2 焊接夾具

焊接夾具可以對無任何約束的構(gòu)件進(jìn)行剛性約束，雖然夾具不能有效控制加熱時(shí)產(chǎn)生的壓縮塑性應(yīng)變，減小焊接變形的作用有限。但在冷卻過程中夾具對焊縫附近的塑性變形區(qū)的收縮等效于反向拉伸，可減小縱向殘余塑性應(yīng)變。對焊縫附近區(qū)域的約束越強(qiáng)烈，冷卻時(shí)的塑性拉伸作用越大，控制焊接變形效果越好[2]。

針對該構(gòu)件變形趨勢，對工件的腹板和下翼板進(jìn)行剛性約束。制作直角剛性固定翻轉(zhuǎn)裝置，對構(gòu)件進(jìn)行剛性約束。由于工件腹板本身有打孔，利用構(gòu)件本身的孔在夾具上用螺栓進(jìn)行剛性約束，能產(chǎn)生強(qiáng)有力地約束力，更好的保證工件的平面度，在沒孔的部位增加卡蘭和斜楔進(jìn)行約束。下翼板上沒有任何孔，只能利用卡蘭進(jìn)行約束。考慮到這些因素，設(shè)計(jì)焊接夾具如圖2所示。這種焊接夾具能使構(gòu)件與夾具本身保持一致的平面度和角度，既能防止扭曲變形，又能有效減小角變形。

2.3 焊接方法

工業(yè)生產(chǎn)既要提高生產(chǎn)效率，又要保證產(chǎn)品質(zhì)量。選擇焊接方法對產(chǎn)品的成本、質(zhì)量影響很大。不同的焊接方法，熱輸入差異很大，與焊條電弧焊、埋弧焊相比，混合氣體保護(hù)焊降低焊接變形的因素很多。首先，氣體保護(hù)焊的焊絲細(xì)、熔池小、熱輸入相對集中，在一定的焊接熱輸入條件下，可以通過同時(shí)提高焊接速度和電流，使焊接溫度場的分布更加均勻而降低焊接變形。因此，選用混合氣體保護(hù)焊是最合理的選擇方式。

2.4 焊接規(guī)范

此構(gòu)件的焊接完全按照AWS D15.1進(jìn)行焊接，焊接規(guī)范按照前期的工藝評定，以及焊工技能評定，得出的綜合參數(shù)進(jìn)行焊接。此焊縫采用多層多道焊接，要保證全焊透，打底焊道采用小電流、短路過渡方式，在焊縫根部打開熔孔，保證打底焊道完全焊透，填充層采用小電流的噴射過渡方式，形成較薄的焊道，這樣可以避免氣孔等缺陷。蓋面層選用較大電流的噴射過渡方式，形成漂亮的外觀。

2.5 層道的焊接順序

為了減小焊接變形，一般工業(yè)生產(chǎn)中一般采用對稱焊接或者分段退焊的方法進(jìn)行焊接。

在相同約束的情況下，隨著層數(shù)的增加，焊接殘余應(yīng)力和焊接變形量會(huì)都相應(yīng)的減少。選用多層焊接時(shí)，盡可能的選用較薄的焊道，既可以減小焊接缺陷，也可以減少焊縫的熱輸入。

在多層多道焊接過程中，相鄰焊道之間的采用首尾相接的方法得到的焊接殘余拉應(yīng)力峰值是最小的。選擇合理的分段焊的焊接順序以及焊接方向可以降低焊接結(jié)構(gòu)中某一特定區(qū)域的殘余拉應(yīng)力峰值，甚至變成壓應(yīng)力。在多層焊的過程中，采用對稱施焊的方法得到的焊接殘余拉應(yīng)力峰值是最小的。

此構(gòu)件的焊接選用層道的對稱焊接（圖3），每層焊道采用分段退焊方法，將這整個(gè)焊道長度分為4段進(jìn)行焊接。

3 結(jié)論

通過以上焊接方法及焊接輔助夾具進(jìn)行焊接，腹板和下翼板的平面度控制在0.5 mm以內(nèi)，腹板和下翼板的垂直度公差也控制2.5 mm之內(nèi)，滿足圖紙要求。說明此工藝方法能夠很好的實(shí)現(xiàn)L形全開放梁體結(jié)構(gòu)的焊接變形控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 賈安東. 焊接結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2] 張建強(qiáng)，趙海燕. 夾具約束對鋁合金薄板焊接變形的影響[J].稀有金屬材料與工程，2009（12）：168-172.