機(jī)械焊接變形的控制分析

摘 要：針對鋼結(jié)構(gòu)工程焊接技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，根據(jù)多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文主要闡述實(shí)用焊接變形的影響因素及控制措施和方法。

關(guān)鍵詞：焊接變形 影響因素 控制措施

鋼材的焊接通常采用熔化焊方法，是在接頭處局部加熱，使被焊接材料與添加的焊接材料熔化成液體金屬，形成熔池，隨后冷卻凝固成固態(tài)金屬，使原來分開的鋼材連接成整體。由于焊接加熱，融合線以外的母材產(chǎn)生膨脹，接著冷卻，熔池金屬和熔合線附近母材產(chǎn)生收縮，因加熱、冷卻這種熱變化在局部范圍急速地進(jìn)行，膨脹和收縮變形均受到拘束而產(chǎn)生塑性變形。這樣，在焊接完成并冷卻至常溫后該塑性變形殘留下來。

1、機(jī)械焊接變形的影響因素

焊接變形可以分為在焊接熱過程中發(fā)生的瞬態(tài)熱變形和在室溫條件下的殘余變形。

影響焊接變形的因素很多，但歸納起來主要有材料、結(jié)構(gòu)和工藝3個(gè)方面。

1.1結(jié)構(gòu)因素的影響

一般情況下復(fù)雜結(jié)構(gòu)自身的拘束作用在焊接過程中占據(jù)主導(dǎo)地位，而結(jié)構(gòu)本身在焊接過程中的拘束度變化情況隨結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加而增加，在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，常需要采用筋板或加強(qiáng)板來提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛性，這樣做不但增加了裝配和焊接工作量，而且在某些區(qū)域，如筋板、加強(qiáng)板等，拘束度發(fā)生較大的變化，給焊接變形分析與控制帶來了一定的難度。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)針對結(jié)構(gòu)板的厚度及筋板或加強(qiáng)筋的位置數(shù)量等進(jìn)行優(yōu)化，對減小焊接變形有著十分重要的作用。

1.2工藝因素的影響

在各種工藝因素中，焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊戄^為顯著，一般情況下，改變焊接順序可以改變殘余應(yīng)力的分布及應(yīng)力狀態(tài)，減少焊接變形。多層焊以及焊接工藝參數(shù)也對焊接變形有十分重要的影響。焊接工作者在長期研究中，總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)，利用特殊的工藝規(guī)范和措施，達(dá)到減少焊接殘余應(yīng)力和變形，改善殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的目的。

1.3材料因素的影響

力學(xué)性能對焊接變形的影響比較復(fù)雜，熱膨脹系數(shù)的影響最為明顯，隨著熱膨脹系數(shù)的增加焊接變形相應(yīng)增加。同時(shí)材料在高溫區(qū)的屈服極限和彈性模量及其隨溫度的變化率也起著十分重要的作用，一般情況下，隨著彈性模量的增大，焊接變形隨之減少而較高的屈服極限會引起較高的殘余應(yīng)力，焊接結(jié)構(gòu)存儲的變形能量也會因此而增大，從而可能促使脆性斷裂，此外，由于塑性應(yīng)變較小且塑性區(qū)范圍不大，因而焊接變形得以減少。

2 控制焊接變形的措施

2.1工藝措施

工藝措施是指在焊接構(gòu)件生產(chǎn)制造過程中所采用的一系列措施，將其分為焊前預(yù)防措施、焊接過程中的控制措施和焊后矯正措施。

2.1.1焊接過程控制措施

焊接過程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接規(guī)范參數(shù)，選擇合理的焊接順序以及采用隨焊兩側(cè)加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施。選擇線能量較低的焊接方法以及合理地控制焊接規(guī)范參數(shù)可以有效地防止焊接變形。采用隨焊兩側(cè)加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施可以降低殘余應(yīng)力和減小焊接變形。采用隨焊兩側(cè)加熱，橫向應(yīng)變、縱向應(yīng)變和最大剪切應(yīng)變的分布更加均勻，變化更加平緩，起到減小焊接殘余應(yīng)力和變形的作用。隨焊碾壓法由于設(shè)備復(fù)雜、使用不便等原因，在生產(chǎn)應(yīng)用中受到一定的限制，但該方法在提高焊接變形等方面具有理想的效果。隨焊激冷法能夠顯著地降低殘余應(yīng)力和減少焊接變形。

焊接順序?qū)附託堄鄳?yīng)力和變形的產(chǎn)生影響較大，在采用不同的焊接順序時(shí)，可以改變殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，但對殘余應(yīng)力整體幅值的降低作用不大，同時(shí)該方法對于控制焊接變形有較大的作用，尤其在多道焊中，作用更加明顯。

2.1.2焊前預(yù)防措施

焊前預(yù)防主要包括預(yù)防變形、預(yù)拉伸法和剛性固定組裝法。

預(yù)拉伸法多用于薄板平面構(gòu)件，焊接時(shí)在薄板有預(yù)張力或有預(yù)先熱膨脹量的情況下進(jìn)行的。焊后，去除預(yù)拉伸或加熱，薄板恢復(fù)初始狀態(tài)，可有效地降低焊接殘余應(yīng)力，控制焊接變形。預(yù)熱的作用在于減小溫度梯度，不同的預(yù)熱溫度在降低殘余應(yīng)力的作用方面有一定的差別，預(yù)熱溫度在300 ℃～400 ℃時(shí)，在鋼中殘余應(yīng)力水平降低了30 %～50 %，當(dāng)預(yù)熱溫度為200 ℃時(shí)，殘余應(yīng)力水平降低了10 %～20 %。

預(yù)變性法或稱反變形法是根據(jù)預(yù)測的焊接變形大小和方向，在待焊工件裝配時(shí)造成與焊接殘余變形大小相當(dāng)、方向相反的預(yù)變形量(反變形量)，焊后焊接殘余變形抵消了預(yù)變形量，使構(gòu)件恢復(fù)到設(shè)計(jì)要求的幾何形狀和尺寸。

剛性固定組裝法是采用夾具或剛性胎具將被焊構(gòu)件盡可能地固定，可有效地控制待焊構(gòu)件的角變形與彎曲變形等。

2.1.3焊后矯正措施

當(dāng)構(gòu)件焊接后，只能通過矯正措施來減小或消除已發(fā)生的殘余變形。焊后矯正措施主要分為加熱矯正法和機(jī)械矯正法。加熱矯正法又分為整體加熱和局部加熱。

整體熱矯正是指將整體構(gòu)件加熱至鍛造溫度以上再進(jìn)行矯正的方法，可用以消除較大的形狀偏差。但是焊后整體加熱容易引起冶金方面的副作用，限制了該方法的進(jìn)一步推廣及應(yīng)用。

局部熱矯正多采用火焰對焊接構(gòu)件局部加熱，在高溫處，材料的熱膨脹受到構(gòu)件本身剛性制約，產(chǎn)生局部壓縮塑性變形，冷卻后收縮，抵消了焊后部位的伸長變形，達(dá)到矯正目的，火焰加熱法采用一般的氣焊焊炬，不需要專門的設(shè)備，方法簡便靈活，因此在生產(chǎn)上廣為應(yīng)用。

此外，還有利用機(jī)械力或沖擊能等進(jìn)行焊接變形矯正，包括靜力加壓矯直法、焊縫滾壓法、錘擊法等。

2.2 設(shè)計(jì)措施

2.2.1合理地安排焊縫位置

在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，安排焊縫盡可能對稱于截面中性軸，或者使焊縫接近中性軸，這對于減少梁、柱等類型結(jié)構(gòu)的撓曲變形有良好的效果。

2.2.2盡可能減少不必要的焊縫

在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，合理地選擇筋板的形狀，適當(dāng)?shù)匕才沤畎宓奈恢茫η蠛缚p數(shù)量少，避免不必要的焊縫，從而減小焊接變形。

2.2.1合理地選擇焊接的尺寸和形式

焊接尺寸直接關(guān)系到焊接工作量和焊接變形的大小。焊縫尺寸大，不但焊接量大，而且焊接變形也大，因此，在保證結(jié)構(gòu)的承載能力的條件下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量采用較小的焊縫尺寸。對于受力較大的丁字接頭和十字接頭，在保證相同的強(qiáng)度條件下，采用開坡口的焊縫可以比一般角焊縫減少焊縫金屬，對減小變形有利。