焊接結構件焊接變形的控制方法研究

李廷偉 陳振凱

河南一拖(洛陽)中成機械有限公司

焊接結構件焊接變形的控制方法研究

李廷偉 陳振凱

河南一拖(洛陽)中成機械有限公司

隨著科學技術的發(fā)展，焊接技術也有了長足的進步，尤其是現(xiàn)代焊接的技術有著非常鮮明的優(yōu)勢和特點，朝著精細化的方向不斷快速發(fā)展，不過，發(fā)展的過程中受到了相應的制約，制約其發(fā)展的主要因素是焊接殘余應力和鋼結構變形控制。在鋼結構的多種連接方法中，焊接占據(jù)著非常重要的位置，并且這種技術的優(yōu)勢得到了充分的發(fā)揮，節(jié)約鋼材、操作迅速等。所以，對鋼結構殘余應力和焊接變形控制進行全面、深入地研究是非常必要的。

結構焊接；變形；控制措施

大型結構件是指大體積、大質量、通過焊接完成的零部件。隨著特種車輛產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大型結構件應用范圍較廣，通過大量規(guī)格、尺寸不同的鋼材拼配、焊接而成，并成為該產(chǎn)品的骨架。一般結構件焊接后，緊接著進行機械加工。大型結構件的焊接時產(chǎn)生的變形會造成大量復雜的后期校正工作，甚至使焊件報廢。因此，拼配、焊接工序必須保證足夠的加工余量，防止焊接變形影響加工質量。

1 焊接施工概況

焊接也被稱之為熔接，利用高溫、高壓等方式將金屬或者其他熱塑材料結合在一起。目前焊接的方式有很多種，比如熔焊、壓焊、釬焊等。目前鋼結構焊接的方式基本上都為熔焊，焊接的能量來源非常多，比如氣體火焰、電弧、激光等。鋼結構焊接過程中，焊接工件和焊接材料之間會形成一個熔融區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的液體經(jīng)過冷卻凝固以后實現(xiàn)連接。在這個過程中，如果高溫熔池直接與空氣相接觸，會使得金屬材料與氧氣發(fā)生氧化反應，從而改變工件性能，因此還需要采取一系列的保護措施，比如氣體保護電弧焊就是利用二氧化碳或者氬氣起到隔絕空氣的目的。此外，鋼結構焊接過程中會給操作者帶來一定危險，因此必須要采取相應的防護措施給予適當?shù)谋Ｗo。

2 焊接變形類型

鋼結構焊接變形的主要類型有：①降溫收縮縱橫變形。該類變形是焊接溫度降低金屬收縮的過程中，以焊縫為原點，鋼結構在縱橫軸方向出現(xiàn)的變形[2]。②降溫過程中收縮量的不同導致角度發(fā)生變形。鋼結構在焊縫位置主要是因為金屬收縮量的差異導致角度位移，呈現(xiàn)出角度變形。③焊縫角螺旋狀變形。焊縫角鋼結構縱橫面無法實現(xiàn)均勻分布，導致變形，進而出現(xiàn)焊接變形。④錯邊變形。加熱鋼結構若發(fā)生不均勻情況，構件的收縮度也會不同，進而導致焊縫位置的構件在長和寬上無法相同，導致錯邊變形。⑤兩焊縫位置不可能會出現(xiàn)同一焊接變形結果，帶給人一種感官扭曲變形，也就是撓區(qū)變形。⑥波浪形變形。焊縫位置有著自身的內(nèi)應力，能夠在焊接位置出現(xiàn)波浪式表現(xiàn)，即波浪式變形。

3 焊接變形原因

鋼結構焊接值得是對構件局部進行高溫加熱，在焊接施工過程中，焊縫池金屬熔點位置的溫度最高，而熔池周圍溫度也會受到金屬氣溫熔點的影響而發(fā)生變化，最終與室溫融合。在加熱焊接施工過程中，在高溫因素影響下，金屬發(fā)生膨脹，而周邊金屬會嚴重制約其膨脹過程，而這就會產(chǎn)生一定量的塑性變形。與此同時，隨著焊接金屬的逐漸冷卻，其也會對周邊金屬造成一定的影響，制約其自由塑性收縮，使得整個金屬構件都會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，并且產(chǎn)生焊接變形及焊接應力。焊接變形及焊接應力不僅會對構件焊接的強度、剛度、尺寸、穩(wěn)定等結構性能造成一定的影響，而且還會增加焊接工藝制造難度，導致施工成本增加。

4 焊接變形的控制方法

4.1 焊接熱處理

在焊接殘余應力的控制中，焊接熱處理是一種利用率非常高的、有效的方法，在此過程中，所運用到的最主要的技術就是退火處理技術，通過對其的應用，增加其受熱的溫度，隨著溫度的升高，保溫的時間也得以延長。不過，其中也有一些問題需要引起足夠的重視。保證溫度在一定的范圍之內(nèi)，不可過高，如果溫度過高，就會導致焊接結構表面出現(xiàn)氧化過重的現(xiàn)象，使其內(nèi)部結構發(fā)生相應的變化，從而破壞其使用性能。

4.2 變形的控制技術

大型結構件的結構和焊縫布置較為復雜。焊接件不同，焊接變形的方式和變形量不同，相應的焊接變形控制方法也不同。

(1)合理布置焊接方向。如同一條或同一直線的若干條焊縫，可以采用逆向分段焊接法和中間向兩側分段退焊法，控制殘余變形。(2)合理安排焊接順序。如構件上有數(shù)量較多又互相隔開的焊縫時，可適當采用跳焊法，使構件上的熱量分布趨于均勻，降低殘余變形。(3)冷焊法。盡量采用較小的線能量進行焊接，常見方法包括選用小直徑焊條、快速焊、小電流及多層多道焊等。(4)散熱法。用各種辦法迅速散發(fā)掉施焊處的熱量，減小焊縫及其附近的受熱區(qū)面積，以減小焊接變形。

4.3 消除殘余變形

在鋼結構焊接施工過程中，造成結構發(fā)生變形的因素有很多，包括溫度、重力、鋼結構材料、承載力等等，另外，焊接施工環(huán)境以及焊接施工工藝也會對焊接變形造成一定的影響，因此，在焊接施工過程中，必須積極總結經(jīng)驗，并采取有效的預防措施。加熱矯正引起的應力會與焊接應力疊加，同向應力疊加甚至可能會使構件的總應力超過允許應力，從而導致構件承載力增大引起結構破壞。對于鋼結構焊接變形，有一部分可以在焊接施工過程中有效避免，而另外一部分則可以在施工過程中進行有效控制，提高焊接生產(chǎn)效率，保證工程施工質量，而這就要求在鋼結構制作過程中合理選擇施工工藝，盡量避免構件發(fā)生形變。

綜上所述，隨著社會經(jīng)濟和科學技術的發(fā)展，各行各業(yè)對于焊接技術的要求有了很大的提高，需要對其性能、質量等進行相應的提高和完善。對于焊接結構來說，焊接殘余應力跌消除是至關重要的，可為其提供重要的保障，在一定程度上提高其剛度、強度和穩(wěn)定性等。不過，就當下的形勢來說，焊接殘余應力跌消除還需要一段時間，必須要對每一個環(huán)節(jié)進行充分的研究和改變，使其朝著越來越精細化的方向發(fā)展。

[1]范存超，李祥忠，崔繼永，彭德林.小型挖掘機結構件焊接變形的控制[J].工程機械，2008，02：50-52+4.

[2]趙忠剛.大型結構件焊接變形控制淺談[J].機械研究與應用，2015，01：126-127.