薄板件焊接變形的控制

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050)

薄板件焊接變形的控制

李慶寧

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050)

本文從焊接變形的基本理論出發(fā)，通過(guò)對(duì)不同焊接方法和焊接材料焊接薄板時(shí)的變形進(jìn)行研究，得出控制薄板焊接變形的工藝措施和控制方法，應(yīng)用于實(shí)船，取得了滿(mǎn)意的效果。

薄板焊接；變形研究；工藝措施；實(shí)船應(yīng)用

造船、車(chē)輛等制造行業(yè)在進(jìn)行薄板焊接時(shí),會(huì)出現(xiàn)形態(tài)各異的局部變形，這不僅影響外觀，降低結(jié)構(gòu)的承載能力，而且極不容易校正，往往耗費(fèi)大量的人力物力，還達(dá)不到要求。薄板結(jié)構(gòu)焊接變形具有復(fù)雜性、多元性，要成功實(shí)現(xiàn)薄板焊接變形的控制，必需了解薄板焊接變形質(zhì)量影響因素。

1 薄板結(jié)構(gòu)焊接變形

在金屬焊接熱循環(huán)過(guò)程中，局部金屬的膨脹和收縮伴隨產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，即引起焊接變形，從而導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸偏離設(shè)計(jì)的規(guī)定。在各種類(lèi)型的焊接變形中，對(duì)薄板結(jié)構(gòu)影響最大的有：骨架與板焊接后的角變形和波浪變形，拼板對(duì)接縫的“屋頂形”。這些變形產(chǎn)生的原因是在焊接過(guò)程中產(chǎn)生了不可恢復(fù)的殘余塑性變形，而在隨后的冷卻過(guò)程中，焊接接頭區(qū)金屬體積重新分布，焊接殘余應(yīng)力的大小決定了焊接變形的程度。

1.1 角變形

1.1.1堆焊

在平板上進(jìn)行堆焊時(shí)，堆焊的高溫區(qū),金屬熱膨脹由于受到附近溫度較低區(qū)金屬的阻礙而受到擠壓，產(chǎn)生壓縮塑性變形。角變形的大小取決于壓縮塑性變形區(qū)的大小、分布情況和結(jié)構(gòu)的剛度。高溫區(qū)越寬，壓縮塑性變形量越大，壓縮塑性變形也越大。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究成果，對(duì)于低碳鋼而言，當(dāng)線(xiàn)能量與板厚比值qn/δ2=2500 cal/cm3時(shí)，角變形β達(dá)到最大值。

1.1.2對(duì)接焊

對(duì)接焊角變形與坡口型式，焊縫截面積、焊接方法和焊縫層數(shù)有關(guān)。對(duì)于實(shí)際薄板焊接時(shí)，還是與塑性變形區(qū)的大小和分布有關(guān)。

1.1.3角焊縫

薄板焊接時(shí)，由于薄板剛度小，焊接過(guò)程中受壓應(yīng)力作用易產(chǎn)生失穩(wěn)，使角變形方向不定。為了進(jìn)一步研究角變形，通過(guò)對(duì)焊接接頭縱向收縮體積和橫向收縮體積的計(jì)算式進(jìn)行分析和研究。

1)根據(jù)焊接接頭區(qū)的金屬在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的塑性應(yīng)變可以推得縱向收縮體積為[2]

(1)

式中：VX—焊接接頭的縱向收縮體積;α—線(xiàn)脹系數(shù);cρ—體積熱容;qn—焊接線(xiàn)能量;μX—焊接接頭縱向收縮系數(shù)。

對(duì)于薄板結(jié)構(gòu)，如果考慮散熱對(duì)縱向收縮體積的影響，則

式中：KT—散熱對(duì)縱向收縮體積的影響系數(shù)。

2)橫向收縮體積[2]

(2)

式中：Vy—焊接接頭橫向收縮體積;μy—焊接接頭橫向收縮系數(shù)。并且μy=-(1.4+0.5μX)

1.2 波浪變形

薄板在承受壓應(yīng)力時(shí)，當(dāng)其中的壓應(yīng)力達(dá)到某一臨界數(shù)值時(shí)，薄板將因出現(xiàn)波浪變形而喪失承載能力，這種現(xiàn)象我們稱(chēng)之為失穩(wěn)。

板失穩(wěn)的臨界應(yīng)力值

(3)

式中：δ—板厚;B—板寬;K—與板的支承情況有關(guān)的系數(shù)。

由公式(3)可以看出，板厚越薄，越容易造成失穩(wěn)變形。

所有焊縫的縱向收縮會(huì)產(chǎn)生焊接壓應(yīng)力，當(dāng)壓應(yīng)力值大于板失穩(wěn)的臨界應(yīng)力值時(shí)，板將失去穩(wěn)定性，產(chǎn)生波浪變形，如圖1。

圖1 由焊接接頭縱向收縮引起的變形

骨架板列焊后，縱向殘余應(yīng)力分布[3]如圖2所示，近焊縫區(qū)受拉，其應(yīng)力值達(dá)到材料的屈服極限σs，遠(yuǎn)離焊縫的母材區(qū)受壓，取兩焊縫間的板材為研究對(duì)象，由于應(yīng)力分布幾乎沿構(gòu)件的整個(gè)面積(焊縫處很窄的塑性區(qū)除外)都是均勻的，因此將其受壓應(yīng)力所產(chǎn)生的效果由板條兩端承受的外加壓應(yīng)力等效代替。

圖2 焊接加強(qiáng)筋引起的殘余應(yīng)力

塑性變形區(qū)：σ1=σs

非塑性變形區(qū)：σ2=σ壓

根據(jù)物體靜力平衡條件有：

σ2·(B-b)=σ1·b

式中:b—塑性變形區(qū)的寬度;B—整個(gè)板的寬度。

若式中分子、分母同乘以δ(板厚)

則

(4)

VX—接頭的縱向收縮體積;F—板列的截面積。

這就說(shuō)明，波浪變形與塑性變形區(qū)大小、板寬、板厚、板的支承情況等因素有關(guān)。

1.3 薄板對(duì)接時(shí)的“屋頂形” 變形

“屋頂形”變形是在焊接過(guò)程中，沿焊縫長(zhǎng)度橫向收縮不均勻引起的，在每條焊縫兩端，橫向收縮較小，中間收縮較大，如圖3。

圖3 沿板列端縫(邊縫)兩端的“屋頂形”

圖4 橫向收縮在焊縫長(zhǎng)度上的分布

假設(shè)一平板對(duì)接焊，焊接方向如圖4，在焊縫的始端，板材的原始溫度較低，此時(shí)熱源開(kāi)始作用而建立的溫度場(chǎng)高溫區(qū)較窄，因而橫向收縮ΔB值也較小，隨著熱源向前移動(dòng)，溫度場(chǎng)的高溫區(qū)域隨之?dāng)U大，焊縫塑性變形區(qū)也擴(kuò)大，冷卻后的收縮值也增大。且先焊的焊縫的橫向收縮對(duì)后焊的焊縫產(chǎn)生一個(gè)擠壓的作用，使后者產(chǎn)生更大的橫向壓縮變形，這樣，焊縫的橫向收縮沿著焊接方向是由小到大逐漸增加的，到一定長(zhǎng)度后趨于穩(wěn)定。而在焊縫末端由于縱向變形的影響，而使橫向收縮減小，這就形成了薄板對(duì)接對(duì)時(shí)的“屋頂形”變形。

2 甲板骨架板列結(jié)構(gòu)焊接變形的控制

內(nèi)河快速船舶上層建筑甲板的板厚3 mm～4 mm，一個(gè)分段由數(shù)塊鋼板拼接而成，這些對(duì)接縫若采用埋弧焊或手工焊焊接都會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的“屋頂形”變形，整個(gè)板呈波浪形。甲板與骨架的大量角接縫焊，則產(chǎn)生柱形波浪變形和骨架下的肋骨變形，造成裝配施工困難，結(jié)構(gòu)的尺寸達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，凸凹不平的甲板大大影響了船舶的外型美觀。

經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，使用壓力架下的CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊，焊接薄板對(duì)接縫，使用CO2氣體保護(hù)半自動(dòng)焊，焊接角接縫，可以減少變形量。

2.1 不同焊接方法的變形量測(cè)試試驗(yàn)

使用δ=4 mm的試板，裁成寬60 mm，長(zhǎng)600 mm的條形板，拼成有6～7條對(duì)接縫的板塊8塊，分別采用手工焊和CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊。CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊的試板波浪最大撓度值比手工焊小一半。手工焊對(duì)接縫部位呈屋頂狀變形，兩端呈不規(guī)則翹曲。最大變形達(dá)15～20 mm。

將L5×40×40的角鋼與δ4×60的板條拼成丁字形用手工焊與CO2焊接平角接位置和立角接位置焊縫，同時(shí)還進(jìn)行CO2氣體保護(hù)焊的立向下行焊，試驗(yàn)結(jié)果都證明，焊的變形量比手工焊小得多。

2.2 CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊對(duì)焊接變形的控制

2.2.1CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊的特點(diǎn)及施工工藝

采用CO2氣體保護(hù)焊的優(yōu)點(diǎn)[4]：

1)由于焊接電流密度較大，電弧熱量利用率較高，焊絲又是連續(xù)送進(jìn)，焊后清渣比堿性焊條容易，因此提高了生產(chǎn)效率。

2)CO2氣體價(jià)格便宜，電能消耗小，所以焊接成本低。

3)電弧加熱集中，工作受熱面積小，同時(shí)CO2氣流有較強(qiáng)的冷卻作用，焊接變形和應(yīng)力小。

4)焊縫含氫量少，抗裂性能好，焊接接頭的力學(xué)性能良好，焊縫質(zhì)量高。

5) 焊接過(guò)程可以觀察到電弧和熔池的情況，故操作容易掌握，不易焊偏，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)焊焊接。

CO2氣體保護(hù)焊是一種高效焊接方法，適用范圍廣，厚度不限，可進(jìn)行全位置焊，可焊1 mm以下薄板。根據(jù)內(nèi)河船廠的實(shí)際情況，使用Φ1.2 mm細(xì)絲，國(guó)產(chǎn)CO2焊機(jī)加輔助裝置，焊接上層建筑薄板，獲得理想的效果。

2.2.2CO2自動(dòng)氣保護(hù)焊減少焊接變形的原因

1)采用壓力架輔助焊接裝置

“屋頂形”變形是對(duì)接縫的特殊變形型式，在壓力架下施行CO2焊對(duì)接縫之所以能減少“屋頂形”，是由于壓力架壓緊塊的剛性固定作用，壓力架裝置將拼接的兩板定位、壓緊、使得縱向收縮引起的彎曲變形減少，橫向收縮在兩端的差值也減少。壓縮空氣頂住銅襯墊對(duì)準(zhǔn)縫口，以保證反面的焊縫成型，拼板采用的壓力架裝置如圖5。

圖5 壓力架下自動(dòng)氣體保護(hù)焊拼板1.紫銅襯墊；2.平臺(tái)；3.焊槍?zhuān)?.左壓緊塊；5.右壓緊塊；6.工件

2)采用減少線(xiàn)能量輸入的焊接工藝

佐藤等人做過(guò)試驗(yàn)，橫向變形與單位厚度的線(xiàn)能量成正比，CO2氣體保護(hù)焊的線(xiàn)能量比傳統(tǒng)工藝小得多，產(chǎn)生的橫向變形小，其“屋頂形”變形自然也小得多。

表3-1 三種焊接方法焊接4mm板對(duì)接縫的焊接規(guī)范

線(xiàn)能量的計(jì)算公式[5]

(5)

式中波浪變形的實(shí)質(zhì)是焊接殘余壓應(yīng)力超過(guò)板失穩(wěn)的臨界應(yīng)力值。從計(jì)算公式(5)中可看出，影響壓應(yīng)力數(shù)值大小的線(xiàn)能量是影響波浪變形的重要因素。將表3-1中的數(shù)字代入公式(5)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，CO2氣保護(hù)焊的線(xiàn)能量比另外兩種方法小得多，這就是CO2氣體保護(hù)焊減少變形的原因。

3 骨架板列角接縫引起的變形及控制

內(nèi)河船舶上層建筑的甲板骨架列多做成平面分段，施行手工電弧焊，焊后不可避免地形成波浪形，最大撓度可達(dá)8 mm～10 mm。

在結(jié)構(gòu)型式等設(shè)計(jì)因素已定的條件下，只能通過(guò)減少線(xiàn)能量。加快母材散熱等工藝因素的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)減少波浪變形的目的，試驗(yàn)表明，當(dāng)焊腳K值一定時(shí)，三種方法輸入的線(xiàn)能量是：

手工焊qn=40000 K2J/cm

埋弧焊qn=30000 K2J/cm

CO2氣體保護(hù)焊qn=20000 K2J/cm

采用CO2氣保護(hù)焊焊接角焊縫，可以大大減少母材的熱輸入量，從而也使板材的波浪變形大大減小。由于CO2氣保護(hù)焊的熔深大，氣流對(duì)焊縫下面的冷卻作用強(qiáng)。導(dǎo)致焊縫正反面的溫差小，使角變形得以控制。

為了進(jìn)一步控制變形，還需采取正確的施焊程序和焊接方向，為此，我們自制了CO2氣保護(hù)焊的輔助裝置，使焊槍的臂長(zhǎng)加大，方便移動(dòng)，一個(gè)平面分段可在四個(gè)角上布置4臺(tái)焊機(jī)和4臺(tái)輔助裝置，每臺(tái)焊機(jī)完成1/4分段的焊接工作量，采用從中間向四方前進(jìn)的次序，做到焊接時(shí)的焊縫均勻?qū)ΨQ(chēng)的，減少了平面外的撓曲，焊機(jī)布置見(jiàn)圖6。

圖6 甲板平面分段CO2氣體保護(hù)焊現(xiàn)場(chǎng)施工圖

4 輕型圍壁的焊接變形及其控制工藝

內(nèi)河快速船舶上層建筑輕型圍壁采用1.5 mm厚的薄板壓制成條形筋板，采用傳統(tǒng)的手工電弧焊方法，變形很大，難以保證圍壁板的平整度和美觀性。

4.1 圍壁結(jié)構(gòu)型式及變形傾向

典型壓筋圍壁的單元結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖7，在一個(gè)小單元結(jié)構(gòu)中，有對(duì)接、角接、搭接三種類(lèi)型的焊縫，角接縫有連續(xù)與間斷及點(diǎn)焊三種規(guī)格，若采用傳統(tǒng)使用的手工焊操作，不僅會(huì)產(chǎn)生波浪變形，而且電流稍大就有燒穿成一個(gè)個(gè)空洞的危險(xiǎn)，既難看又難以救。

圖7 圍壁單元預(yù)制、壓筋板和下沿板電阻點(diǎn)焊搭接圖

4.2 典型壓筋圍壁的單元預(yù)制焊接的試驗(yàn)研究及實(shí)船應(yīng)用

典型壓筋圍壁的單元預(yù)制采用電阻點(diǎn)焊。電阻點(diǎn)焊是一種高效率的接觸焊，利用電阻加熱再加壓的方法，使兩個(gè)分離表面的金屬接近到晶格距離，形成金屬鍵，從而得到含足夠多共同晶粒的焊點(diǎn)，點(diǎn)焊原理見(jiàn)圖8。

圖8 電阻點(diǎn)焊原理圖

4.2.1電阻點(diǎn)焊的研究試驗(yàn)

點(diǎn)焊接頭的形成過(guò)程，一般包括預(yù)壓、加熱、冷卻結(jié)晶三個(gè)階段，與電弧焊相比，其輸入的線(xiàn)能量小得多[6]，主要表現(xiàn)：

1)熱源為電阻熱，只熔化一點(diǎn)，比電弧焊的熱量小得多；

2)電阻點(diǎn)焊機(jī)一般都有銅電極水冷系統(tǒng)，散熱好；

3)只在焊點(diǎn)處加熱，塑性變形僅限于焊點(diǎn)及其周?chē)鷺O小的面積區(qū)域，引起的殘余應(yīng)力，應(yīng)變都很小，見(jiàn)圖9。

圖9 焊點(diǎn)周?chē)鷼堄鄳?yīng)力分布圖

4)電阻點(diǎn)焊代替電弧焊完成條形板與壓筋板的搭接焊縫見(jiàn)圖7，有著異常顯著的優(yōu)越性：

a.不會(huì)形成薄板燒穿的缺陷和成型不良的現(xiàn)象；

b.沒(méi)有變形傾向，而電弧焊搭接卻產(chǎn)生很大的波浪變形；

c.適合于內(nèi)場(chǎng)小單元組裝、批量作業(yè)生產(chǎn)效率高；

d.電阻點(diǎn)焊不需填充焊接材料，可降低生產(chǎn)成本。

4.2.2電阻點(diǎn)焊的實(shí)船應(yīng)用

為創(chuàng)造良好施工條件，形成批量流水線(xiàn)，將圍壁結(jié)構(gòu)預(yù)制成小單元。選用臂較長(zhǎng)的電阻點(diǎn)焊機(jī)，并在焊機(jī)前配置一個(gè)小平臺(tái)架、工件放在平臺(tái)架上，送到點(diǎn)焊機(jī)的電極下焊接搭接縫，減少了變形，操作方便，提高了焊接生產(chǎn)效率。點(diǎn)固焊不僅能保證焊接間隙，而且具有一定的抗變形能力。但要考慮點(diǎn)固焊焊點(diǎn)的數(shù)量、尺寸及間距。

4.3 圍壁上船組裝焊接變形的控制

在船舶主體結(jié)構(gòu)上安裝上層建筑的圍壁是比較困難的，一是甲板不平或圍壁端部不平會(huì)造成上下端角接焊縫間隙大，難以焊好。二是圍壁與上下沿板，與扶強(qiáng)材的角焊縫為全位置焊縫，很容易燒穿，尤其是立向焊縫，焊接速度慢，變形大，成型差。如何解決好立向角接縫防止圍壁總裝焊接變形的關(guān)鍵。

4.3.1立向下行焊條試驗(yàn)研究

立向下行焊條是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)焊接立向角接縫的高效焊條，與普通焊條的使用不同之處在操作時(shí)，從上往下焊，，與普通焊條相比它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 操作簡(jiǎn)單，減輕焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率兩倍以上；

2) 節(jié)約焊條約30～40%；

3) 焊條工藝性能好，接頭質(zhì)量高，焊縫外觀成型美觀，不會(huì)出現(xiàn)凸型縫；

下行焊條的化學(xué)成分和機(jī)械性能與普通焊條相同，所不同的是熔渣的成分和性能有較大區(qū)別。它的熔渣的粘度和表面張力要大些，凝固溫度范圍窄，在電弧吹力和表面張力的共同作用下，金屬熔池不致于因?yàn)橹亓ψ饔孟蛳碌温?，而快速凝固的熔渣一方面覆蓋在熔池表面，阻止空氣侵入，另一方面，強(qiáng)迫熔池快速凝固而不滴落，因而采用立向下焊條，可得到成型的連續(xù)焊縫。

4.3.2實(shí)船應(yīng)用

采用CJ426角型下行焊條進(jìn)行工藝試驗(yàn)，小單元上船與散裝的條型板組裝，條型板上裝焊U型扶強(qiáng)材，都有相當(dāng)多的立角接縫，用下行焊條施焊，速度快、焊接變形小，圍壁外形平整、美觀。

5 結(jié) 語(yǔ)

薄板焊接變形是國(guó)內(nèi)外薄板焊接制造的一個(gè)技術(shù)難題。本文主要針對(duì)薄板焊接變形產(chǎn)生的影響因素和控制工藝進(jìn)行研究與探索。

1)針對(duì)快速船舶薄板結(jié)構(gòu)、壓筋圍壁不同的部位和結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用新的高效焊接材料和焊接方法是完全可以控制的。

2)單元內(nèi)場(chǎng)組裝為電阻點(diǎn)焊的應(yīng)用提供了有利條件，高效焊的應(yīng)用必須以一定的工藝裝備與良好的裝配質(zhì)量為前提，不僅可減少一半的變形量，且節(jié)約材料50%，節(jié)省工時(shí)1倍半以上，是內(nèi)河船廠大力推廣的先進(jìn)技術(shù)。

1 王長(zhǎng)生,薛小懷，樓松年等.薄板焊接變形的影響因素及控制.焊接質(zhì)量控制與管理，2005，34(4):66-68.

2 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

3 船體結(jié)構(gòu)的焊接變形 蘇C.A庫(kù)茲米諾夫著 王承權(quán)譯 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1978.

4 陳裕川.焊工手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

5 英若采，熔焊原理及金屬材料焊接，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

6 趙喜華.壓力焊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

ResearchontheControllingoftheDeformationProcessofSheetMetalWelding

LIQing-ning

(Wuhan Institute of shipbuilding technology, Wuhan 430050,china)

Based on the basic theory of welding distortion, this essay studies different welding methods and the deformation of welding materials, and obtains the sheet welding deformation process control measures which are applied to real ship, with satisfactory results achieved.

welding of sheet metals; deformation study; design measures; real ship application

TG48

A

1671-8100(2017)04-0027-05

2017-05-22

李慶寧，女，教授，主要從事船舶工程技術(shù)方面的教學(xué)和科研工作。

(責(zé)任編輯：譚銀元)