淺析不銹鋼薄板焊接變形機(jī)制及工藝改進(jìn)

王婷

摘 要：本文介紹了不銹鋼薄板罐體制造工藝，不銹鋼薄板焊接工藝以及焊接變形控制。并對(duì)焊接方法進(jìn)行了對(duì)比，簡要闡述了焊接過程，優(yōu)化了焊接工藝，展示了不銹鋼薄板罐的焊接效果。

關(guān)鍵詞：不銹鋼薄板;焊接;變形;工藝

前言

由于不銹鋼車體與普通碳鋼車體相比具有重量輕便、運(yùn)行壽命長、焊裝工藝簡單、無須涂裝、維修簡便等優(yōu)點(diǎn)，并且與鋁合金車體相比又具有耐磨性強(qiáng)、疲勞強(qiáng)度高、維修簡便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，因此不銹鋼車體成為了城市軌道的首選。由于不銹鋼車體多采用薄板焊接而成，不銹鋼薄板在焊接時(shí)存在的焊接質(zhì)量差、焊接結(jié)構(gòu)變形等問題比較突出，本文結(jié)合當(dāng)前不銹鋼薄板焊接當(dāng)中存在的變形問題，對(duì)不銹鋼焊接工藝進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的解決辦法，并對(duì)焊接的效果進(jìn)行展示，以達(dá)到進(jìn)一步提高不銹鋼薄板焊接的質(zhì)量。

一、不銹鋼薄板焊接變形問題

在不銹鋼薄板焊接的過程當(dāng)中，導(dǎo)致不銹鋼薄板變形主要是不銹鋼相對(duì)碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，在焊接過程中受到局部加熱、冷卻作用，形成不均勻的加熱、冷卻狀態(tài)。不銹鋼板的對(duì)接焊縫附近產(chǎn)生焊接拉應(yīng)力，而在兩側(cè)離焊縫較遠(yuǎn)的區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力，薄板承受不了這種應(yīng)力而失去穩(wěn)定，產(chǎn)生波浪變形。

現(xiàn)場實(shí)際拼裝時(shí)，對(duì)接縫裝配間隙的大小以及下料工序不嚴(yán)謹(jǐn)也會(huì)產(chǎn)生外觀缺陷。對(duì)接縫間隙過小或無間隙時(shí)，焊接過程中的熱收縮引起橫向位移，使熱影響區(qū)及其附近區(qū)域在高溫作用下產(chǎn)生失穩(wěn)變形，并使熔池前方的薄板撓曲、隆起、錯(cuò)邊;對(duì)接縫間隙過大時(shí)，焊接過程產(chǎn)生的熱收縮使得工件橫向位移而達(dá)不到保持熔池前方的接縫間隙，甚至燒穿。下料時(shí)對(duì)接邊緣不平直，會(huì)使對(duì)接縫局部位置的橫向收縮不能自由進(jìn)行，收縮不均勻而產(chǎn)生焊接變形。

二、不銹鋼薄板焊接工藝分析

1、焊接材料

不銹鋼焊接要求按“等成分原則”選擇焊材。焊接前采用較小直徑的焊條進(jìn)行點(diǎn)焊（定位焊），以增加焊件剛性，有利于控制焊接變形。

本文選擇的案例為不銹鋼薄板罐的外罐。由于不銹鋼薄板罐外罐的厚度為3mm，采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG），保護(hù)氣體為Ar 為 99.99%的氬氣。當(dāng)焊接電流為50-150 A時(shí)，氬氣流量為8-10 L/min;當(dāng)焊接電流為150-250 A時(shí)，氬氣流量為12-15 L/min。

本文采用的T4003焊材的化學(xué)成分如下所示：

2、T4003的焊接性分析

T4003不銹鋼是一種鐵素體不銹鋼，該種型號(hào)的不銹鋼焊接部位彎曲性、機(jī)能性較好，一般的火車車體等均采用該種型號(hào)的鋼材制作。鐵素體不銹鋼不含鎳，主要元素為鉻（>10%）和鐵，鉻是是不銹鋼特別耐腐蝕的元素，其價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定。這類鋼具有導(dǎo)熱系數(shù)大，膨脹系數(shù)小、抗氧化性好、抗應(yīng)力腐蝕優(yōu)良等特點(diǎn)，多用于制造耐大氣、水蒸氣、水及氧化性酸腐蝕的零部件。

3、焊接方法對(duì)比

目前采用較多的不銹鋼薄板的焊接方法有氣體保護(hù)電弧焊、手工焊等。對(duì)比這幾種焊接方法可知，氣體保護(hù)電弧焊比一般電弧焊的生產(chǎn)效率較高、生產(chǎn)成本要低，是一種較為理想的焊接方式。一般而言氣體保護(hù)電弧焊主要是采用氬弧焊，另外氬弧焊氣體保護(hù)焊還具有以下幾個(gè)優(yōu)勢：

（1）可保護(hù)氣體隔絕空氣中的氧氣和氮?dú)獾葰怏w對(duì)電弧和熔池產(chǎn)生的不良影響，同時(shí)減少可合金元素的燒損，使焊接質(zhì)量得到很大的提高。

（2）電弧燃燒穩(wěn)定，熱量集中，弧柱溫度高，對(duì)于不銹鋼薄板熱影響區(qū)窄，焊件變形傾向小。

（3）焊接工藝性能好，飛濺小，煙塵小，脫渣容易，焊后無需清渣。

（4）熔敷速度快，操作簡單，生產(chǎn)效率高。

所以氬弧焊是一種高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、節(jié)能的焊接方法。完全能夠滿足不銹鋼薄板罐的焊接質(zhì)量要求。因此本文主要選擇氬弧焊作為本文的焊接方法。

三、焊接工藝及參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上述不銹鋼薄板的焊接工藝分析，為了提高不銹鋼薄板焊接工藝的質(zhì)量，本文介紹了具體焊接工藝、焊接順序，并優(yōu)化了參數(shù)，較好控制了焊接變形，圓滿完成了罐體焊接。

1、焊接工藝過程

由于不銹鋼薄板罐的罐體的面積較大，而兩段的底板的面積較小，因此針對(duì)大面積的罐體采用點(diǎn)焊，針對(duì)底板采用焊條進(jìn)行焊接。

（1）筒體直徑為800mm，故筒體縱、環(huán)縫采用點(diǎn)焊電弧焊進(jìn)行焊接。

（2）為保證焊接質(zhì)量，先將支架在下面焊好，即將方管按要求先焊成一個(gè)框架，將鋼板四周點(diǎn)焊到焊接平臺(tái)上，將焊接好的支架放到鋼板上定位好，按照從里到外的順序?qū)⒅Ъ芎弯摪邈T焊到一起，注意焊點(diǎn)不要太大。焊接罐體與底板之間的焊縫，為了避免熱輸入量過大，可以采用焊兩道焊縫之后休息一下，等溫度稍微降低一點(diǎn)兒了再焊。完全焊接完畢后，等工件溫度完全降下來了再將鋼板與焊接平臺(tái)周圍的點(diǎn)焊點(diǎn)磨掉，從平臺(tái)上取下工件。

（3）接管與平焊法蘭角焊縫、接管與外罐角焊縫，鑒于此部位焊縫形狀和焊接條件，一般選用焊條電弧焊。若接管直徑太小，為了減少焊接難度，也可以采用TIG焊。

（4）底部與外罐殼體焊接角焊縫屬非承壓焊縫，采用熔化極氣體保護(hù)焊保護(hù)氣體為純CO2，效率高，焊縫成形好。

2、優(yōu)化焊接工藝參數(shù)

不銹鋼材料，導(dǎo)熱系數(shù)較小、熱膨脹系數(shù)較大，焊接后較易塑性變形及產(chǎn)生焊接應(yīng)力，同樣的焊接電流就可以得到較大的熔深（與低合金鋼相比）;材料電阻率大，焊條電弧焊時(shí)一定注意防比焊條發(fā)紅過熱，影響氬氣的穩(wěn)弧及保護(hù)作用。因此，焊接時(shí)采用焊接能量集中的焊接方法是理想的選擇，并且盡量選擇較小焊接電流。不銹鋼焊接操作時(shí)，要注意嚴(yán)防焊接接頭產(chǎn)生晶間腐蝕、熱裂紋等缺陷。要防比晶間腐蝕及消除“貧鉻現(xiàn)象”，在安排焊接工藝時(shí)，應(yīng)該正確選擇焊接材料，注意控制焊縫的冷卻速度。要防比熱裂紋的產(chǎn)生，注意有效控制焊縫雜質(zhì)含量。施焊操作中要避免過高的焊接熱輸入，否則將增大近縫區(qū)的敏化溫度范圍，其結(jié)果將使焊縫熱影響區(qū)的耐蝕性降低。確定焊接參數(shù)時(shí)，要選用較小焊接熱輸入的焊接方法。在焊條電弧焊操作時(shí)，要采用小直徑焊條施焊，采用快速多層多道焊，非常必要。

經(jīng)過對(duì)焊接電流、焊接電壓、焊接速度、氣體流量的合理匹配，得出了一組飛濺少、成型良好的焊接參數(shù)，見表2。焊后對(duì)試板進(jìn)行X射線檢測，未發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部有未熔合、未焊透、氣孔等缺陷，而且焊接試板的變形量≤3°。

四、不銹鋼薄板焊接變形控制

最科學(xué)的方法是采用多點(diǎn)加熱的方法對(duì)不銹鋼薄板產(chǎn)生的凸凹變形進(jìn)行矯正，一般情況下，加熱點(diǎn)直徑不小于15mm，加熱點(diǎn)與加熱點(diǎn)之間的距離應(yīng)該根據(jù)薄板的變形量大小來制定，正常的情況下在50-100mm范圍內(nèi)。通過采用焊接后消除殘余應(yīng)力熱處理法克服鋼制焊接構(gòu)件的變形研究表明，為了更好的防治不銹鋼薄板焊接后回彈變形，穩(wěn)定構(gòu)件的尺寸，通過縫隙試樣、板條、板塊試樣等方式強(qiáng)制焊接后，再對(duì)構(gòu)件進(jìn)行熱處理焊后熱處理可以有效的克服薄板焊接的變形。

通過控制焊接順序減小變形。本文在焊接不銹鋼薄板罐時(shí)，先采用不銹鋼氬弧焊焊接罐壁間縱縫，再焊接環(huán)縫。焊接時(shí)接觸腐蝕介質(zhì)的內(nèi)側(cè)焊縫最后施焊。朝同一方向采用分段退焊或跳焊法施焊，焊接時(shí)嚴(yán)格控制層間溫度不超過100℃。罐頂組焊應(yīng)在罐底檢查合格后進(jìn)行，罐頂板組對(duì)應(yīng)按劃好的等分線對(duì)稱鋪設(shè)。罐頂屬搭接焊縫，焊接時(shí)先焊環(huán)向短焊縫，再焊徑向長焊縫。

幾張薄板拼焊時(shí)，采用合理的焊接順序，盡量使焊縫能夠自由收縮，減少內(nèi)應(yīng)力，從而減少變形。短焊縫將薄板連接成可自由收縮的長條狀，直通的長焊縫在縱橫向上均無限制，自由狀態(tài)下成形，整張拼接板焊接應(yīng)力很小，變形也很小。實(shí)質(zhì)是減少焊接熱輸入，避免焊縫區(qū)域熱量持續(xù)疊加，縮小焊接區(qū)與結(jié)構(gòu)整體之間的溫差。另外把焊接部件一端墊高，成15°-20°，做下坡焊，可提高焊接速度和減小熔深，有利于防止燒穿和減小變形。

五、取得的效果

采用如上所述的焊接工藝及變形控制的措施，經(jīng)焊接檢驗(yàn)，焊縫成形美觀，飛濺少，焊接變形量小，分隔板間距離偏差在±1 mm范圍內(nèi)。滿足了產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

從焊接工藝評(píng)定結(jié)果可以看出，采用氬弧焊焊接不銹鋼，氬氣對(duì)焊縫無增碳現(xiàn)象，且力學(xué)性能達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，化學(xué)成分可滿足耐腐蝕性能要求，因此完全可用于儲(chǔ)罐的焊接。

六、結(jié)論

不銹鋼材料已經(jīng)成為了我國的交通、運(yùn)輸、化工、船舶建筑等行業(yè)的重要材料之一。目前不銹鋼制成的車輛已經(jīng)成為了國際上城市快速軌道車輛的主流，我國各城市也都在大力發(fā)展城市軌道交通，因此不銹鋼罐體的前景和需求也不可限量，各個(gè)制造企業(yè)也已開始積極進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備和制造，這勢必大大促進(jìn)我國軌道車輛用不銹鋼焊接工藝的不斷完善和發(fā)展?；诖吮疚闹饕Y(jié)合不銹鋼焊接當(dāng)中存在的變形問題，對(duì)不銹鋼焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合焊接裝配圖展示裝配效果。根據(jù)上述關(guān)于不銹鋼薄板的焊接工藝及變形分析可知，要提高不銹鋼薄板焊接的質(zhì)量，盡量減小變形，在具體的焊接操作當(dāng)中，操作員不僅需要加強(qiáng)焊接技能的鍛煉，而且需要選擇合適的焊接方法以及焊接工藝。

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