起重機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接變形的因素及控制分析

姚行杰

（山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250200）

起重機(jī)械結(jié)構(gòu)由多種零部件焊接而成，在實(shí)際焊接過程中，焊接變形引起的誤差會(huì)使結(jié)構(gòu)尺寸精度下降，進(jìn)而導(dǎo)致起重機(jī)械整體結(jié)構(gòu)的承載能力下降，同時(shí)，還會(huì)降低產(chǎn)品的外觀。對于起重機(jī)械結(jié)構(gòu)的焊接變形，需要投入大量的人力和物力去修補(bǔ)和完善，其工作量有時(shí)候會(huì)比起初焊接所花費(fèi)的要多，甚至在變形較大的時(shí)候，其結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行修繕，被迫廢棄。因此，考慮起重機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接變形的起因及其影響因素，進(jìn)行有效而合理的控制，可以減少損耗，對起重機(jī)械的改進(jìn)和發(fā)展都具有指導(dǎo)意義。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)金屬焊接變形理論

1.1 金屬焊接變形的基本原理

金屬材料處在高溫的環(huán)境中，當(dāng)溫度達(dá)到材料的熔點(diǎn)，材料會(huì)熔化并發(fā)生熱膨脹，材料發(fā)生擠壓變形，產(chǎn)生彈性熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力大于材料此時(shí)的屈服極限，材料的彈性變形會(huì)轉(zhuǎn)化成塑性變形，導(dǎo)致冷卻后的材料無法恢復(fù)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，材料在焊接區(qū)域受壓應(yīng)力，在周圍區(qū)域受拉應(yīng)力。因此，材料的“熱脹冷縮”是使材料發(fā)生變形的基本原因。

起重機(jī)械結(jié)構(gòu)的焊接過程一般利用熔化焊，將需要焊接的區(qū)域進(jìn)行加熱，并加入焊接材料，帶熔池形成后進(jìn)行冷卻硬化，因此，在焊接加熱冷卻過程中，焊接區(qū)域發(fā)生冷縮，非焊接區(qū)域發(fā)生熱膨脹，產(chǎn)生殘余應(yīng)變導(dǎo)致材料的塑性變形。尤其對于焊接零部件，微觀的塑性變形，在宏觀的表現(xiàn)為尺寸變形并帶有彈性應(yīng)變能。對于單一構(gòu)件，材料發(fā)生塑性應(yīng)變的區(qū)域很少，因此，針對影響材料的焊接變形，考慮殘余應(yīng)變和彈性應(yīng)變能，進(jìn)而研究材料變形。首先，可以構(gòu)建彈性應(yīng)變能與彈性變形的關(guān)系

式中，E為彈性應(yīng)變能；hi為彈性變形；ki為廣義彈性系數(shù)。又因?yàn)閺椥詰?yīng)變能與彈性應(yīng)變能密度有如下關(guān)系

式中，g0為彈性應(yīng)變能密度。將（1）式帶入式（2）中，可得

通過式（3）可知材料變形及應(yīng)變能的大小。

1.2 金屬焊接變形的影響因素

（1）材料屬性對金屬焊接變形的影響。焊接區(qū)域的變形同時(shí)受到焊材和母材的影響，其力熱屬性決定了材料的膨脹和收縮程度，熱傳導(dǎo)系數(shù)小，溫度變化的梯度大，溫差大導(dǎo)致材料更容易變形。熱膨脹系數(shù)對材料的變形正相關(guān)，而且材料的力學(xué)屬性會(huì)隨著溫度的變化而改變，通常情況下，較大的彈性模量會(huì)儲(chǔ)存較大的變形能，所累積的殘余應(yīng)力更容易引起焊接變形。

（2）焊接結(jié)構(gòu)對金屬焊接變形的影響。在焊接過程中，控制工件的拘束度可有效改善焊接變形。工件本身的拘束度起主要影響，在設(shè)計(jì)時(shí)，焊接結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，拘束度越大。因此，需要對為了增加結(jié)構(gòu)剛性而添加的筋板或加強(qiáng)筋的數(shù)量和位置進(jìn)行優(yōu)化處理，可適當(dāng)減小焊接過程中的工作量，同時(shí)，也能對焊接變形有削弱的作用。

（3）焊接工藝對金屬焊接變形的影響。焊接工藝可改變殘余應(yīng)力的位置和大小以減緩焊接變形，例如，改變焊接順序、采用新的焊接工藝方法、調(diào)整合適的焊接工藝參數(shù)，同時(shí)，根據(jù)工作人員的累積經(jīng)驗(yàn)，也可以采用特殊的加工工藝來改善殘余應(yīng)力，降低焊接變形。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接變形種類及產(chǎn)生原因

在起重機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接過程中，其結(jié)構(gòu)件的焊接變形種類有收縮變形、彎曲變形和扭曲變形。收縮變形是因?yàn)楹缚p冷卻材料體積減小，導(dǎo)致尺度精度下降，而且焊縫收縮的方向相同會(huì)使得整體結(jié)構(gòu)的尺寸減小，影響機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。彎曲變形通常出現(xiàn)在工件尺寸較小、焊縫不對稱的區(qū)域，這是因?yàn)椴牧鲜艿胶附舆^程中應(yīng)力和變形的綜合影響。起重機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)屬于大型結(jié)構(gòu)件焊接，因此，更容易發(fā)生扭曲變形，在不均勻內(nèi)應(yīng)力的影響下，焊縫的分布沒有規(guī)律，很難進(jìn)行提前預(yù)測，導(dǎo)致的結(jié)果就是焊接區(qū)域發(fā)生扭曲變形，嚴(yán)重時(shí)，焊接件會(huì)無法修復(fù)。

因此，起重機(jī)械結(jié)構(gòu)的焊接變形不僅影響工程機(jī)械的工作效能，而且還會(huì)給工廠企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。由此，分析焊接變形的具體原因顯得尤為重要，其焊接變形有多種因素組成，第一為焊接應(yīng)力的大小和分布，其直接影響焊接結(jié)構(gòu)件的受力和變形，在焊接過程中，焊接應(yīng)力和焊縫的復(fù)雜程度成正相關(guān)，由于其具有一定的不確定性，材料的膨脹和收縮同樣不均勻，導(dǎo)致變形難以預(yù)估。第二為焊接結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)不合理，設(shè)計(jì)的焊縫尺寸大、數(shù)量多且分布不均勻均會(huì)加劇焊接結(jié)構(gòu)件的變形。第三為焊接工藝的制定存在問題，起重機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接工藝的好壞直接決定加工效率，其焊接變形是否超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，直接影響機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和運(yùn)作安全。因此，需要著重注意焊接工藝的選擇和設(shè)計(jì)，確保有效高效、安全穩(wěn)定。

3 起重機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接變形的控制

起重機(jī)械焊接件結(jié)構(gòu)往往比理論設(shè)想復(fù)雜，根據(jù)實(shí)際工作需求，焊接件的組成及數(shù)量不同，在焊接過程中產(chǎn)生的焊縫及焊接變形也不同，因而焊接變形的控制應(yīng)視具體工況分析而制定，通常使用工藝參數(shù)法、工裝模具法和反變形法來控制起重機(jī)械結(jié)構(gòu)件的焊接變形。

（1）工藝參數(shù)法。焊接工藝參數(shù)法主要關(guān)注工藝布置和參數(shù)選擇，在焊接過程中，采用多層焊或氣體保護(hù)焊的焊接方式，利用跳焊和分段焊降低熱能對焊接變形的影響。焊接順序應(yīng)該遵循先內(nèi)后外、從中間到兩端、先短后長的對稱焊接方法，這是為了保證焊接結(jié)構(gòu)能夠受熱均勻。對于焊接應(yīng)力的去除，可以利用焊前預(yù)熱和焊后回火，盡可能地選擇適用于實(shí)際工況的參數(shù)，降低熱輸入，減小焊接變形。

（2）工裝模具法。工裝模具法可采用搭焊平臺(tái)、接變位機(jī)和焊件夾具的方式控制焊接件的變形。搭焊平臺(tái)構(gòu)建在起重機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接前需要搭焊，利用點(diǎn)焊固定結(jié)構(gòu)框架，保證了焊接過程中焊接件抵抗變形的能力，這種方式主要確保了機(jī)械設(shè)備的尺寸精度和位置精度，圖1為某型挖掘機(jī)鏟斗在焊接準(zhǔn)備時(shí)采用的搭焊平臺(tái)結(jié)構(gòu)。因?yàn)槠鹬貦C(jī)械重量大，受到的焊接應(yīng)力大，在焊機(jī)過程中，焊接件的位置需要進(jìn)行固定定位，可采用合適的夾具加強(qiáng)焊接件剛性，提高焊接質(zhì)量精度。

圖1 搭焊平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

還可以接變位機(jī)，由于起重機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)相對于其他機(jī)械結(jié)構(gòu)較大，因此，在焊接時(shí)可以采用焊接變位機(jī)控制焊接件的位置，保證焊縫在焊接全過程都處在最佳水平焊接狀態(tài)，解決了大型結(jié)構(gòu)件焊接不容易移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的問題，使得焊接質(zhì)量得到保障。

（3）反變形法。焊接結(jié)構(gòu)件在焊接過程中會(huì)產(chǎn)生焊接變形，其主要原因是材料膨脹和焊縫冷縮，而反變形法解決了焊接前后變形量存在差值的問題。這種方式是通過預(yù)制反方向變形抵消焊接時(shí)產(chǎn)生的變形，具體措施為在焊接裝配時(shí)，人工對焊接工件實(shí)施人為變形，根據(jù)實(shí)際的需求工況，定制提前預(yù)制反變形的大小和方向。而且在焊接時(shí)，需要注意焊接順序，先焊接收縮量大的焊縫，通常情況下，對接焊縫的焊接順序排在角焊縫之前。

4 結(jié)語

起重機(jī)械結(jié)構(gòu)的焊接變形因?yàn)槠浔旧淼某叽绾椭亓恳蛩?，焊縫分布不均勻，焊接變形過程復(fù)雜，難以有效控制焊接變形，為提高起重機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性，在保證廢品率的前提下，盡量控制焊接變形對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。綜上所述，只有控制住焊接過程中因應(yīng)力引發(fā)的變形，才能確保起重機(jī)械設(shè)備的產(chǎn)品質(zhì)量，提高加工效率和工程進(jìn)度，保障人身安全。