焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形的控制

張龍華 劉福德 宣中輝

【摘 要】關(guān)于對焊接變形的討論和改進(jìn)研究對大型的焊接結(jié)構(gòu)件的制造，如：三峽水利工程、西氣東輸、‘“神舟”號載人飛船和奧運(yùn)場館等，焊接結(jié)構(gòu)在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中有舉足輕重的地位。焊接結(jié)構(gòu)件的制造具有十分重要的意義和價值。根據(jù)理論結(jié)合實踐的指導(dǎo)方法，把理論計算結(jié)合到實際產(chǎn)品的實驗分析結(jié)果，由此再來制定出相應(yīng)的工藝措施，這樣不斷能保證質(zhì)量問題，還能對生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本產(chǎn)生較大的影響。

【關(guān)鍵詞】焊接結(jié)構(gòu)；焊接變形；分析原因

本文旨在分析焊接結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生變形的原因，和對焊接結(jié)構(gòu)件變形的有力控制，在經(jīng)過研究和分析以后，筆者將提出預(yù)防措施來防止焊接結(jié)構(gòu)的各種類型的變形。

一、焊接結(jié)構(gòu)件變形分類

焊接結(jié)構(gòu)件變形的原因有很多，其中就包括母材的材質(zhì)導(dǎo)致的變形、填充材料導(dǎo)致的變形、焊接方法不嫻熟或者方法不正確導(dǎo)致的變形、焊接參數(shù)（WPS文件參數(shù)）導(dǎo)致的變形[1]、焊接順序不正確導(dǎo)致的變形、還有冷卻時間及焊接過程中是否有約束等問題導(dǎo)致的焊接結(jié)構(gòu)件變形等原因，但是這些原因歸根結(jié)底是由于焊接殘余應(yīng)力造成的，而焊接結(jié)構(gòu)變形又可以分為以下幾類：收縮變形—— 其包括垂直于焊縫方向引起的橫向收縮和焊縫方向引起的縱向收縮；彎曲變形—— 這個包括由于橫向收縮引起的彎曲變形和由于縱向收縮引起的彎曲變形；扭曲變形—— 構(gòu)件繞自身軸線的扭曲；波浪邊形—— 波浪變形時由于薄板焊接產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力使得構(gòu)件出現(xiàn)因為壓縮而形成的。

二、焊接變形的形成及將導(dǎo)致的后果

1.1焊接熱過程是一個十分復(fù)雜的問題，在實施焊接作業(yè)時，焊接工藝選擇的合理性與否，可能導(dǎo)致工件整體受熱不均勻問題突出，從而造成工件內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻、工件變形嚴(yán)重，無法正常使用。

（1）焊接熱過程的局部性或不均勻性。多數(shù)焊接過程都是進(jìn)行局部加熱的，只有在熱源直接作用下的區(qū)域受到加熱，有熱量輸入，其他區(qū)域則存在熱量損耗。受熱區(qū)域金屬熔化，形成焊接熔池，這種局部加熱正是引起焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的根源。

（2）焊接熱過程的瞬時性。由于在金屬材料中熱量的傳播速度很快，焊接時必須利用高度集中的熱源。這種熱源可以在極短的時間內(nèi)將大量的熱量由熱源傳遞給工件，這就造成了焊接熱過程的時變性和非穩(wěn)態(tài)特性。

（3）焊接熱源的相對運(yùn)動。由于焊接熱源相對于工件的位置不斷發(fā)生變化，這就造成了焊接熱源的不穩(wěn)定性。

三、焊接結(jié)構(gòu)件變形的預(yù)防措施和手段

以電廠的大型焊接結(jié)構(gòu)為例，來提出本文研究的焊接結(jié)構(gòu)件變形的預(yù)防措施和手段主要有以下方面。

1.焊接預(yù)熱、焊接后消應(yīng)力熱的處理

焊接預(yù)熱使得焊縫周圍的母材溫度升高會降低焊縫金屬與周圍母材的溫差，如此一來，降低焊接收縮內(nèi)應(yīng)力將會減少焊接的變形程度，焊縫區(qū)溫度的不均勻?qū)㈦y免造成很高的內(nèi)應(yīng)力，而這樣的焊接內(nèi)應(yīng)力又會使得焊件在加工過程中產(chǎn)生變形甚至爆裂，若通過適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，再對焊件加工處理，就可以減少焊件變形或爆裂事故的發(fā)生。

2.完善和改進(jìn)焊接的結(jié)構(gòu)是其中一方面

如果想要控制和預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)件的變形，首當(dāng)其沖就得在設(shè)計方面下功夫，前提設(shè)計好合理的結(jié)構(gòu)，只有把設(shè)計做好了，才能為下面的步驟打好基礎(chǔ)。做好設(shè)計的具體措施有：選擇合理的焊縫形式和大小合適的尺寸；若是遇到不必要的焊縫要盡量減少；為了避免焊縫太集中就必須合理安排焊縫的位置。

3.剛性固定法的使用[2]

一般說來，剛性大的結(jié)構(gòu)件經(jīng)過焊接后發(fā)生變形的可能都會比較小，而剛性比較小的結(jié)構(gòu)件經(jīng)過焊接后可能會產(chǎn)生大的變形，那么對待這種容易變形的結(jié)構(gòu)件就得采用專用的夾具、支撐桿、胎具或點固在工作臺上來提高它的剛性，以此來減小變形情況的發(fā)生，這種方法在實踐中比防止角變形和波浪變形更加有效，但必須指出的是，工人在工件焊接后，得等焊接后工件溫度下降到室內(nèi)溫度后，才能拿開固件，否則就容易出現(xiàn)事故。再則一方面，拿掉剛性固定前一定得采用錘擊敲打的方式來消除部分應(yīng)力，減小變形。

4.收縮變形余量的預(yù)留

根據(jù)焊接收縮理論，得出計算值（箱形梁四周施焊收縮量2mm/m，其他結(jié)構(gòu)依此類推）和經(jīng)驗值（參數(shù)的統(tǒng)計時根據(jù)同一部件數(shù)個產(chǎn)品焊接后或類比以往相似結(jié)構(gòu)來統(tǒng)計參數(shù)），收縮余量是在工件下料及加工時預(yù)先考慮的問題，這是為了便于達(dá)到焊接工件所要求的形狀、尺寸等，在焊縫收縮的方向上預(yù)先留出收縮量，保證焊接后的構(gòu)件滿足要求的尺寸。

應(yīng)值得一提的是，如果焊縫的形狀在實際生產(chǎn)中達(dá)不到規(guī)則形狀，預(yù)留的焊接收縮量就不能用平常的理論公式來計算，而是需要進(jìn)行多個實際產(chǎn)品的焊接試驗來確定焊接的收縮量[3]。

四、如何糾正焊接變形

焊件變形不僅對于工作人員有很大影響，而且對整個工作的進(jìn)行都會產(chǎn)生不利的反應(yīng)，而若能將變形糾正過來，將會使得工作得以順利地進(jìn)行，糾正焊接變形的方法主要有2種—— 機(jī)械糾正和火焰加熱糾正，他們實質(zhì)上都是使得焊接結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生新的變形來抵消焊接變形。

1.火焰加熱的糾正方法

利用火焰加熱時產(chǎn)生的局部壓縮塑性變形使得構(gòu)件較長的部分在冷卻過后縮短以抵消變形，這種方法叫火焰加熱糾正，不過這種方法一般主要適用于各種低碳鋼和大部分的低合金結(jié)構(gòu)鋼，卻不適用于有晶間腐蝕傾向的不銹鋼和淬硬傾向較大的鋼，工作人員在進(jìn)行火焰加熱過程中，也可以同時施加機(jī)械力，這樣可以有效地提高矯正效果，構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點和焊接變形的實際情況決定了是選擇點狀加熱、線狀加熱還是三角形加熱等方式。

工作人員在操作過程中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制火焰的溫度，溫度較低或較高都無法適度地進(jìn)行調(diào)配和控制，溫度較低無法調(diào)整尺寸，溫度過高又會造成加熱區(qū)域硬度降低從而導(dǎo)致整體強(qiáng)度下降，因此操作的工作人員必須具有豐富的經(jīng)驗，但是與機(jī)械糾正相比，火焰加熱糾正的效率較低但適用范圍較廣。

2.機(jī)械糾正方法

給構(gòu)件施加來自外部的機(jī)械力，使得構(gòu)件產(chǎn)生與原來的焊接變形的方向相反的塑性變形，以便于能夠抵消焊接變形，這樣的方法叫做機(jī)械糾正。而來自外部機(jī)械力的施加則可以通過錘擊、壓力機(jī)及碾壓等方法來實現(xiàn)，但這種方法只適合剛性較小且不太厚的板結(jié)構(gòu)。

工作人員在使用機(jī)械糾正的過程中一定要注意采用校直機(jī)進(jìn)行，因為這種校直方法生產(chǎn)效率較高，但是工作人員必須具有豐富的工作經(jīng)驗，否則就容易導(dǎo)致將構(gòu)建表面弄出壓痕或焊縫區(qū)域出現(xiàn)裂紋等。

五、結(jié)束語

焊接作為一種工業(yè)制造手段，廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)。焊接結(jié)構(gòu)不容易受材料本身形狀的限制，這是鉚接、鍛造、鑄造、螺栓連接等連接方式無法達(dá)到的；焊縫本身擁有幾乎達(dá)到母材甚至超過母材的強(qiáng)度，焊接的可靠性更是其他連接形式不能比擬的；另外焊接部位密封性好、焊接結(jié)構(gòu)成品率高、焊接配合工序固定等特點更是焊接這種制造手段出類拔萃之處。然而，焊接過程是一個局部不均勻加熱的過程，造成的局部應(yīng)力集中很有可能導(dǎo)致產(chǎn)品在使用過程中焊接部位疲勞、斷裂；由于不均勻加熱產(chǎn)生的母材塑性變形，會導(dǎo)致產(chǎn)品外觀質(zhì)量不合格，產(chǎn)生不必要的整形工序成本，以及產(chǎn)品加工余量的增加。所以，焊接結(jié)構(gòu)變形的控制是涉及行業(yè)比較關(guān)注和主要攻關(guān)的一個項目。

參考文獻(xiàn)：

[1] 熊大勝.減少大型焊接結(jié)構(gòu)件變形的措施[J].金屬加工（熱加工），2010（2）：20.

[2] 羅滿香.焊接變形工藝校正方法的研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2010（18）：44.

[3] 彭尚.一種矯正鋼模焊接彎曲變形的新工藝[J].鐵道建筑技術(shù)，2003（4）：32.

（作者單位：大慶油田中油電能熱電一公司）