淺談礦山機(jī)械加工制造中焊接變形的控制技術(shù)

李國軍

摘 要：本文重點(diǎn)就礦山資源開發(fā)利用中，機(jī)械設(shè)備加工過程中焊接的相關(guān)問題，如焊接應(yīng)力與變形問題、焊接變形產(chǎn)生的原因及其危害，并立足專業(yè)及工作環(huán)境，提出焊接變形的預(yù)防與控制措施。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工制造；焊接變形；控制措施

1.焊接應(yīng)力與變形問題

1.1焊接的內(nèi)涵。焊接，實(shí)際上就是通過加熱、加壓，或兩者并用，其之間產(chǎn)生原子間結(jié)合的加工工藝和聯(lián)接方式。它應(yīng)用廣泛，既可用于金屬，也可用于非金屬。

1.2內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。沒有外力的情況下，物體內(nèi)部也存在的應(yīng)力，稱為內(nèi)應(yīng)力。它在物體內(nèi)部自相平衡，即物體內(nèi)部各方向的內(nèi)應(yīng)力總和等于零。而焊接應(yīng)力就是在焊接過程中及焊接過程結(jié)束后，存在于焊件中的內(nèi)應(yīng)力，主要有熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、裝配應(yīng)力、相變應(yīng)力等。

1.3焊接變形問題。焊接變形是在焊接過程中由于焊件不均勻受熱和不均勻溫度現(xiàn)場而引起的焊件尺寸的改變。焊接過程中的不均勻加熱，能使得焊縫及附近的溫度很高，不受熱的冷金屬部分便阻礙了焊縫及近縫區(qū)金屬的膨脹與收縮，這就容易產(chǎn)生變形。特別是冷卻后，焊縫就產(chǎn)生了不同程度的收縮與內(nèi)應(yīng)力，從而造成了焊接結(jié)構(gòu)的各種變形。變形大致可以分為瞬態(tài)焊接應(yīng)力與變形、殘余焊接應(yīng)力與變形。沒有外力的作用下，焊接應(yīng)力在焊件內(nèi)部是平衡的。焊接變形的形式有收縮變形、角變形、彎曲變形、扭曲變形、波浪變形和錯邊變形等多種。

2.焊接變形的危害

制造加工過程中造成的焊接變形，會給機(jī)械產(chǎn)品的正常使用帶來諸多危害。主要有以下幾個方面。

（1）裝配質(zhì)量下降。機(jī)械設(shè)備的各部件因焊接變形導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力，在組裝時易產(chǎn)生扭曲、錯位等情況，以致造成裝配整體變形，使整個構(gòu)件喪失了穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致設(shè)備裝配質(zhì)量嚴(yán)重下降，甚至使產(chǎn)品報(bào)廢。

（2）承載能力下降。因焊后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和焊接變形降低了接頭性能，使得焊件或部件的尺寸改變了，從而引起局部較大的附加應(yīng)力，雖然可矯正，但會消耗掉一部分材料的塑性，以致承受載荷能力下降，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致脆斷，造成一些事故。

（3）抗腐蝕性下降。焊接產(chǎn)生了大量的熱，使得焊縫接口與周圍環(huán)境氣體中的C、0、H、N等原子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而改變了接縫的材質(zhì)。矯形后在強(qiáng)大的外力作用下會導(dǎo)致焊縫的塑性和韌性明顯變差，脆性增加，極易產(chǎn)生裂紋，使得焊接接頭的抗腐蝕性也下降了。

（4）制造成本增加。焊接變形也使得機(jī)械部件組裝變得困難，需要經(jīng)過矯形后方可裝配，而校正又要消耗大量的人力和物力，這給生產(chǎn)增加了許多額外工序，延長了工期，影響生產(chǎn)效率，并增加了制造成本，形成不必要的浪費(fèi)。

3.焊接變形產(chǎn)生的原因

在機(jī)械設(shè)備的加工制造過程中，能夠引起焊接變形的原因有很多，如焊接材質(zhì)的差異、焊接過程中受熱不均勻、焊縫金屬的收縮、金相組織的變化等。歸納起來主要有以下三個方面。

（1）設(shè)計(jì)因素。機(jī)械產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時，由于要滿足承重、支撐等能力要求，所以就需要采用筋板或肋板提高產(chǎn)品的剛性和穩(wěn)定性。由于焊接變形的不可控性，這也為設(shè)計(jì)理念增加了難以避免的焊接變形幾率。

（2）材料影響。焊接離不開焊絲和焊接母材，該材料的化學(xué)成分不同，焊接性也不同。由于決定強(qiáng)度和可焊性的因素主要是含碳量。因此碳當(dāng)量越大，焊接性能就越差。

（3）焊接工藝影響。焊接常用手工焊、CO2氣體保護(hù)焊、埋弧焊、氬弧焊等形式，各種焊接方法差異，也使得變形各有差異。與此同時，選用的焊接接頭形式不同，以及多層多道焊接的影響，這也會使接頭塑性變形區(qū)增大，影響焊接質(zhì)量。

4.焊接變形的預(yù)防與控制

機(jī)械產(chǎn)品的加工制造過程中，焊接應(yīng)力和變形則會影響焊件的功能和外觀，這給產(chǎn)品的制造工藝增加了困難，還會因焊接變形過大導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，從而造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失，所以必須嚴(yán)格控制。主要預(yù)防和控制措施如下。

（1）從源頭上預(yù)防—設(shè)計(jì)措施。焊接必然有變形和應(yīng)力產(chǎn)生，所以要將變形的危害量降至最低，在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時，一要合理選擇焊接工件。有效減少和控制不需要出現(xiàn)的焊縫，比如盡量選用型鋼、沖壓件、鍛件來替代焊接件。再是注重優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)筋板、肋板的形狀、位置和數(shù)量，以減少產(chǎn)生的焊縫量和變形后的校正工作量。二要科學(xué)設(shè)計(jì)焊接尺寸。因焊縫越寬越深，在受熱后冷卻時收縮引起的變形量就越大。所以要在保證產(chǎn)品性能符合設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸。設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量選用較小的焊腳、坡口尺寸，盡可能的減少焊縫的橫截面積和熔敷金屬量，以減少焊接變形量。三要合理設(shè)計(jì)焊縫位置。因焊縫橫向收縮量大于縱向收縮量的特性，在設(shè)計(jì)時要充分考慮到這一點(diǎn)，盡量將焊縫布置在平行于要求焊接變形量最小的方向，使之與焊件的截面中心線或軸線對稱，避免設(shè)計(jì)曲線形結(jié)構(gòu)，這對于減少梁、柱等主要支撐結(jié)構(gòu)的變形能起較好的效果。

（2）把握焊接全過程—焊接工藝措施。從焊接工藝措施入手，在焊接構(gòu)件生產(chǎn)制造過程中所采用的一系列措施，要正確地選擇與嚴(yán)格遵守焊接程序，這也是減小焊接變形和內(nèi)應(yīng)力的有效方法，更是保證焊接質(zhì)量的重要舉措。所以在施焊過程中要認(rèn)真把握各項(xiàng)預(yù)防措施。第一，可通過采取反變形法。在焊接時人為造成與焊接變形量大小相當(dāng)、方向相反的預(yù)變形量，通過焊后變形收縮抵消預(yù)變形量，使焊接件達(dá)到設(shè)計(jì)要求的幾何形狀與尺寸。這特別適用于機(jī)械設(shè)備的外殼焊接，能保證外殼不會塌陷；第二，可采取預(yù)拉伸法。通過機(jī)械等形式預(yù)先將焊件拉伸與伸長，并在張緊的鋼板上焊接，之后去除預(yù)拉伸，使鋼板恢復(fù)原始狀態(tài)。第三，可采取剛性固定法。通過夾具或剛性胎具將被焊工件固定，能有效降低焊接殘余應(yīng)力，防止變形。但剛性固定法會使焊接接頭中產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，因此對于一些抗裂性較差的材料應(yīng)慎用。第四，不同的構(gòu)件形式采用不同的焊接方法。對焊縫位置、結(jié)構(gòu)截面對稱的焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)先裝配成整體，再按一定的焊接順序進(jìn)行生產(chǎn)，最后再組焊一起，這能有效地減少變形。還可以采用合理的焊接方法、工藝參數(shù)、焊接次序，通過先焊短焊縫后焊長焊縫、盡可能采用多層焊代替單層焊、間斷焊接法、強(qiáng)制冷卻法等措施，降低焊接殘余應(yīng)力、減小焊接變形量。

（3）收尾變形控制—焊后矯正。一旦焊接變形產(chǎn)生，只能通過矯正減小或消除發(fā)生的變形。在焊后矯正措施上，主要有：第一，機(jī)械矯正法。就是采用手工錘擊、壓力機(jī)、多輥平板機(jī)等方式，對焊件進(jìn)行靜力加壓或輾壓，使原來縮短的部分得到延伸，以達(dá)到矯正變形的效果。但是，手工錘擊矯形勞動強(qiáng)度大，技術(shù)難度高，則是矯正薄板波浪變形的重要方法。而壓力機(jī)、多輥平板機(jī)等設(shè)備，其機(jī)械矯正效率高、速度快、效果又好，特別適用于中、大型焊件焊后的矯形。第二，加熱矯正?？衫醚跻胰不鹧鎸讣M(jìn)行局部或整體加熱時產(chǎn)生的塑性變形，使較長的金屬在冷卻后收縮，以達(dá)到矯正變形的效果。但是，火焰加熱矯正法的加熱方式有點(diǎn)狀、線狀和三角形三種，其主要適用于低碳鋼和沒有淬硬傾向的普通低合金鋼。它又可分為整體加熱矯正法和局部加熱矯正法。而整體加熱主要用于消除較大的形狀偏差。但是，這樣的做法容易產(chǎn)生副作用，即容易產(chǎn)生冶金方面的一些問題，而局部加熱矯正方法就比較簡便靈活，所以在生產(chǎn)上的應(yīng)用也比較多。

結(jié)束語

機(jī)械加工制造過程中易產(chǎn)生焊接應(yīng)力，引起變形，不但影響產(chǎn)品質(zhì)量，還會引起相關(guān)事故，因此要針對焊接工件的材料性質(zhì)、形狀及技術(shù)要求等，合理選擇適宜的焊接工藝，減少變形量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低加工成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃國鋒.煤礦機(jī)械制造過程中的焊接變形因素及其控制工藝[J].中國高新技術(shù)企業(yè)。