機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)熱變形的控制措施研究

朱永政

摘要：高精度設(shè)備的運(yùn)行結(jié)構(gòu)配置問題易使其產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)熱形變問題，從而為機(jī)械焊接作業(yè)的有效進(jìn)行造成一定的影響，對此做好機(jī)械焊接的結(jié)構(gòu)熱形變控制便成為積極機(jī)械設(shè)備精度及技術(shù)焊接問題的關(guān)鍵所在，同時為機(jī)械焊接工作的有效開展奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械；焊接；結(jié)構(gòu)；熱變形；控制

高精度機(jī)器通常運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，容易受到熱源影響而產(chǎn)生支承構(gòu)件形變，最終影響機(jī)械設(shè)備的作業(yè)精度。機(jī)械設(shè)備的大構(gòu)件受熱變形應(yīng)從減少熱應(yīng)力方面入手解決，利用鋼板焊接及鑄造結(jié)構(gòu)熱學(xué)特性進(jìn)行熱應(yīng)力的彎曲變形控制，將其結(jié)構(gòu)扭曲產(chǎn)生的概率。由于鋼膨脹系數(shù)（12×10^-9℃^-1）通常大于鑄鐵結(jié)構(gòu)的（10×10^-8℃^-1）熱導(dǎo)系數(shù)，因此在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)控制，容易產(chǎn)生導(dǎo)熱變形加大問題。若在鋼材使用中將導(dǎo)熱系數(shù)控制在80 W/（m K）以上，并使其大于鑄鐵系數(shù)的75 W/（m K）可通過控制焊接結(jié)構(gòu)壁厚及熱慣性來降低變形問題的發(fā)生頻率。尤其對于靈活性較高的焊接工藝而言，該方法在提高焊接強(qiáng)度的同時，有效解決熱鋼度問題。

1焊接變形的機(jī)理

在眾多的焊接方法當(dāng)中，電弧焊由于設(shè)備輕便，搬運(yùn)靈活，適合于鋼結(jié)構(gòu)的施工作業(yè)等特點(diǎn)，成為主要的焊接方法。電弧焊就是在鋼構(gòu)件連接處，借助電弧放電所產(chǎn)生的高溫，將置于焊縫部位的焊條或焊絲金屬熔化，同時將工件的表面熔化，形成焊接熔池，將兩塊分離的金屬熔合在一起，從而獲得牢固接頭的焊接方法。在施焊過程中，焊件會發(fā)生變形，這種變形是暫時性的。當(dāng)焊接完畢以后，構(gòu)件完全冷卻，會有一部分變形殘留下來，形成焊接變形。焊接變形的實(shí)質(zhì)取決于兩個方面，一是焊縫區(qū)的熔融焊縫金屬在冷卻凝固收縮時產(chǎn)生了變形，導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生縱向、橫向或者角變形；二是焊縫區(qū)以外的焊件區(qū)域。由于熔融焊縫金屬會將高溫傳遞到焊件上，在焊件上形成熱影響區(qū)，焊件在被加熱和隨后冷卻的過程中產(chǎn)生變形，這種變形是一種單純的熱變形，如果焊件的熱變形受到本身的剛度限制，就會引起焊件的變形。

2合理地配置熱源

熱源的合理配置主要體現(xiàn)在以下兩個方面。首先要控制砂輪直徑，實(shí)際寬度不應(yīng)超過510×205 mm，以免對焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，確保機(jī)械焊接設(shè)置合理性。對電機(jī)功率的控制要達(dá)到20 HP，使焊接用電強(qiáng)度達(dá)到實(shí)際需求標(biāo)準(zhǔn)。其次要注意對技術(shù)冷卻問題的解決。由于焊接磨削過程易使其整體結(jié)構(gòu)溫度迅速攀升，因此冷卻技術(shù)的選用要能夠符合冷卻要求，避免床身面板的實(shí)際溫度高于床身的實(shí)際問題，進(jìn)一步控制不同結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的實(shí)際溫度差。冷卻液的油盤應(yīng)放置于排水槽下側(cè)，以免床身溫度過高導(dǎo)致凸起而造成過熱彎曲變形。驅(qū)動電機(jī)的安裝需放置于磨頭的座的下側(cè)部位，保障焊接不會對驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)行造成影響。

磨床主軸的焊接設(shè)計(jì)應(yīng)采用靜壓軸承，確保磨頭座及工作臺能夠與靜壓導(dǎo)軌相重合，提高焊接效益，有效降低結(jié)構(gòu)熱能及溫度。如實(shí)際的焊接環(huán)境特殊，可采用磨床內(nèi)側(cè)及外側(cè)的雙油池設(shè)計(jì)，從而保障冷卻液的經(jīng)過能夠有效流入隔板，繼而達(dá)到磨頭座的下部空間，使其能夠均勻地散布于床身，保障磨床的恒溫，圖1～2分別是無心磨床熱源結(jié)構(gòu)與無心磨床熱源配置圖。

3采用熱對稱結(jié)構(gòu)

對稱結(jié)構(gòu)熱源形變后能夠保持與中心線的垂直，使其位置長期保持不變，有效減小變形對精度的影響，使焊接準(zhǔn)確性能夠達(dá)到相關(guān)的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。熱對稱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由斷面形狀對稱及壁厚對稱構(gòu)成，由于無心磨床焊接床身，因此實(shí)際斷面結(jié)構(gòu)在熱源方面處于對稱狀態(tài)，可將壁厚厚度控制在30 mm以外，其中應(yīng)將床身面板刨除在外，將其余結(jié)構(gòu)壁板及筋板等結(jié)構(gòu)控制在20 mm以內(nèi)，并選擇鋼板材料進(jìn)行處理。

對稱的壁厚實(shí)際方向與熱慣性保持一致。壁板的升溫則與熱膨脹量保持平衡，從而有效降低熱應(yīng)力產(chǎn)生彎曲變形的概率，將熱應(yīng)力進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換。雖然在使用過程中壁厚與方向熱慣性保持一致，但卻無法有效采用相等壁厚進(jìn)行處理。受結(jié)構(gòu)垂直力的影響，為有效降低空間結(jié)構(gòu)影響，縱向壁板厚度應(yīng)采用12 mm厚度鋼板，而橫向的壁板則應(yīng)采用6 mm鋼板，以此提高結(jié)構(gòu)交叉作用力。在床身面板方面，應(yīng)采用3.2 mm薄板，以免提高結(jié)構(gòu)吸收效益，有效利用變形能量，減少床身面板熱變形所產(chǎn)生的實(shí)際影響。

4采用雙層壁結(jié)構(gòu)

雙壁結(jié)構(gòu)空間內(nèi)的空氣層能夠有效控制熱源的壁板升溫，將升溫溫度控制在相對較低的水平，同時可為解決壁板變形問題提供良好的幫助，在控制變形方面具有相對較好的效果。該結(jié)構(gòu)實(shí)際傳遞功率達(dá)到200 kW，轉(zhuǎn)速最達(dá)到650 r/min，而最低轉(zhuǎn)速則可達(dá)到150 r/min。箱蓋通常選用120 mm槽鋼作為基礎(chǔ)筋骨焊接的雙層壁結(jié)構(gòu)，其實(shí)際內(nèi)壁厚度可達(dá)到4 mm，而外壁則可達(dá)到6 mm。相比于內(nèi)壁而言，外壁溫度相對較低，同時由于外壁結(jié)構(gòu)厚度大于內(nèi)壁結(jié)構(gòu)，因此可有效對內(nèi)壁結(jié)構(gòu)變形問題進(jìn)行抑制，形成高強(qiáng)度約束向心力。徑內(nèi)實(shí)際壁板厚度達(dá)到8 mm，因其熱慣性相同，所以熱膨脹量實(shí)際分布較為均勻，未出現(xiàn)嚴(yán)重的箱蓋扭曲變形問題。在對箱蓋內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)長度方向加固過程中，主要選用槽鋼加固，提高加固穩(wěn)定性。在減速機(jī)蓋的設(shè)計(jì)方面，為避免動能大于重力，將機(jī)蓋實(shí)際重量控制在900 kg以上，使其達(dá)到單層結(jié)構(gòu)重量的40%以上，繼而確保減速機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，有效解決結(jié)構(gòu)重心位移問題。減速機(jī)底座設(shè)計(jì)不僅有效融合雙壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時根據(jù)設(shè)備使用要求在斷面形狀設(shè)計(jì)及壁厚設(shè)計(jì)方面也不僅參照熱源對稱要求，以免形變問題對焊接處理造成阻礙。

機(jī)械設(shè)備精度的不斷提高使現(xiàn)代機(jī)械焊接可采用開膨脹縫的方法進(jìn)行熱源形變發(fā)生概率，使熱源溫度能夠有效穩(wěn)定?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)備熱源產(chǎn)生的多與后壁結(jié)構(gòu)及電機(jī)產(chǎn)生相關(guān)，長期處于該階段使設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的后膨脹問題，導(dǎo)致立柱向前傾斜。而在將壁厚實(shí)際厚度控制從30 mm減少到12 mm后，則能夠有效降低熱源溫度，但仍無法達(dá)到設(shè)備使用的基礎(chǔ)精度要求，此時便可在橫隔板及后壁連接結(jié)構(gòu)中心位置進(jìn)行開膨脹處理，使其能夠達(dá)到使用精度要求。其中要注意開膨脹縫的位置及結(jié)構(gòu)形態(tài)，避免開膨脹不規(guī)范而直到減少立柱鋼度。

5鋼結(jié)構(gòu)焊接變形處理

5.1合理預(yù)留焊接收縮量和調(diào)整間隙

焊接收縮量的預(yù)留能夠有效降低熱變形對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響，使其焊接受熱均勻，不會產(chǎn)生單一結(jié)構(gòu)的焊接熱膨脹問題。該方法不僅可有效地提升熱變形的控制有效性，同時通過預(yù)留收縮能夠有效控制變形方式，提高焊接的補(bǔ)償收縮效果。焊接中要根據(jù)焊接要求對預(yù)留收縮量進(jìn)行合理控制，以便更好地發(fā)揮出該方法的實(shí)際作用。

5.2選擇合理的焊接順序和焊接工藝

合理選擇焊接工藝能夠進(jìn)一步避免熱變形情況的發(fā)生。根據(jù)焊接材料及焊接壁厚的不同，可選擇多種焊接技術(shù)結(jié)合方面進(jìn)行焊接處理，從而保障焊接結(jié)構(gòu)溫度不會受到溫度因素的影響。首先可采用先焊接腹板的方法將其與翼緣板進(jìn)行結(jié)合焊接，其次再進(jìn)行腹板與另一翼緣板結(jié)構(gòu)的焊接，通過分級及分層焊接提高焊接效果。最后可采用在腹板同一方向加裝焊縫的方法將另一焊接結(jié)構(gòu)控制在兩條焊縫內(nèi)，使其施焊方向保持一致。

5.3反變形法

在焊接前要根據(jù)熱變形強(qiáng)度對其變性值進(jìn)行運(yùn)算，保持反變形值與變形值相等，從而使其抵消。由于現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備對精密度要求較高，因此數(shù)據(jù)的運(yùn)算不應(yīng)影響設(shè)備的正常使用，應(yīng)在保障焊接熱變形能夠控制在合理范圍的前提下，采用該方法進(jìn)行形變控制。該方法運(yùn)用需要注意的是僅適用于小范圍的熱形變處理及控制，高強(qiáng)度的焊接控制，該方法實(shí)際有效性較差，無法保障焊接變形的控制效果。因而充分考慮熱變形及結(jié)構(gòu)膨脹對設(shè)備精度的影響，使解決機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)形變問題的重要核心內(nèi)容。

5.4焊接變形的火焰矯正法

在構(gòu)件變形的凸起處進(jìn)行局部加熱，鋼結(jié)構(gòu)由于熱脹冷縮的物理性能，會產(chǎn)生一定的膨脹變形。當(dāng)加熱結(jié)束，鋼結(jié)構(gòu)冷卻收縮，收縮后的長度比加熱前有所縮短，從而達(dá)到了矯正變形的目的。在使用火焰矯正法時，需要合理確定加熱范圍、加熱溫度和深度。加熱溫度通常為500～800℃，火焰矯正時加熱溫度太低，矯正效果不明顯；如果加熱溫度過高，會導(dǎo)致金屬變脆，并降低沖擊韌性，容易放生脆斷?；鹧婕訜岬姆秶悬c(diǎn)狀、線狀和三角形3種。其中，點(diǎn)狀加熱法適用于多數(shù)結(jié)構(gòu)的矯正，可根據(jù)不同情況加熱一點(diǎn)或數(shù)點(diǎn)。焊件較厚，則加熱點(diǎn)的直徑要大，焊件較薄，加熱點(diǎn)直徑要小一些。線狀加熱適用于矯正變形量大及剛性大的焊接結(jié)構(gòu)。三角形加熱適用于厚度大、附性強(qiáng)的構(gòu)件。加熱深度一般控制在鋼板厚度的40%以下。

6結(jié)語

機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)熱變形問題的控制對提高焊接質(zhì)量及機(jī)械設(shè)備使用精確度均有重要作用，是現(xiàn)代機(jī)械焊接所需注意的主要問題之_。對此相關(guān)技術(shù)人員不僅要及時采取技術(shù)措施，同時制定有效的解決方案，對于設(shè)備各結(jié)構(gòu)內(nèi)壁厚的控制及結(jié)構(gòu)重力的控制也不容忽視，是解決熱變形問題及提高焊接工作開展效益的有效途徑。