焊接結構件焊接變形的控制

賀孝偉

摘 要:本文旨在分析焊接結構件產生變形的原因,和對焊接結構件變形的有力控制,在經過研究和分析以后,筆者將提出預防措施來防止焊接結構的各種類型的變形。

關鍵詞:焊接結構焊接變形分析原因

中圖分類號:TP2 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)06(b)-0120-01

作為機械制造中的加工工藝,焊接的地位不斷十分重要,而且它的價值意義也是十分巨大的,現實中由于焊接應力導致的焊接變形等,則導致每年近千萬元的損失,這也是在機械制造中不可避免卻又不得不避免的一個重大問題,因此,研究并探討出防止焊接結構件變形的預防措施具有很重要的價值和意義。

1焊接結構件變形分類

焊接結構件變形的原因有很多,其中就包括母材的材質導致的變形、填充材料導致的變形、焊接方法不嫻熟或者方法不正確導致的變形、焊接參數(WPS文件參數)導致的變形[1]、焊接順序不正確導致的變形、還有冷卻時間及焊接過程中是否有約束等問題導致的焊接結構件變形等原因,但是這些原因歸根結底是由于焊接殘余應力造成的,而焊接結構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生殘余壓縮應力使得構件出現因為壓縮而形成的。

2焊接結構件變形的預防措施和手段

以CRH3型及CRH5型動車組轉向架焊接構架為例,來提出本文研究的焊接結構件變形的預防措施和手段主要有以下方面。

2.1 完善和改進焊接的結構是其中一方面

如果想要控制和預防焊接結構件的變形,首當其沖就得在設計方面下功夫,前提設計好合理的結構,只有把設計做好了,才能為下面的步驟打好基礎。做好設計的具體措施有: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。

2.2 剛性固定法的使用[2]

一般說來,剛性大的結構件經過焊接后發生變形的可能都會比較小,而剛性比較小的結構件經過焊接后可能會產生大的變形,那么對待這種容易變形的結構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溫度后,才能拿開固件,否則就容易出現事故。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力,減小變形。

2.3 收縮變形余量的預留

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

應值得一提的是,如果焊縫的形狀在實際生產中達不到規則形狀,預留的焊接收縮量就不能用平常的理論公式來計算,而是需要進行多個實際產品的焊接試驗來確定焊接的收縮量[3]。

2.4 反變形法的使用

理論計算值和經驗可以預先估計出結構焊件變形的大小和方向,以保證在焊接裝配時能給予一個方向相反大小也相等的人為的變形,焊接的不對稱會導致收縮變成角變形,那么就可以在裝配時加上一個與變形相反的角度,這樣就使得焊接后的變形與反變形相互抵消,那么工件也就滿足要求的尺寸。

2.5 焊接方法必須合理

合理的焊接方法在機械制作中是極其重要的,焊接采用的方法不同,產生的線能量也會有不同,如果選用線能量比較低的焊接方法的話,變形就可以得到有效的控制,還能減小焊接塑性壓縮區,而目前主要采用三種焊接方法焊接轉向架構架:二氧化碳氣體保護焊(135)、手工電焊弧(111)、無極氬弧焊(141)[4],目前這三種是比較常見的焊接方法,這些焊接方法都可以降低焊接變形量。

2.6 焊接預熱、焊接后消應力熱的處理

焊接預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,降低焊接收縮內應力將會減少焊接的變形程度,焊縫區溫度的不均勻將難免造成很高的內應力,而這樣的焊接內應力又會使得焊件在加工過程中產生變形甚至爆裂,若通過適當的預熱,再對焊件加工處理,就可以減少焊件變形或爆裂事故的發生。

3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行都會產生不利的反應,而若能將變形糾正過來,將會使得工作得以順利地進行,糾正焊接變形的方法主要有2種—— 機械糾正和火焰加熱糾正,他們實質上都是使得焊接結構件產生新的變形來抵消焊接變形。

3.1 機械糾正方法

給構件施加來自外部的機械力,使得構件產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,這樣的方法叫做機械糾正。而來自外部機械力的施加則可以通過錘擊、壓力機及碾壓等方法來實現,但這種方法只適合剛性較小且不太厚的板結構。

工作人員在使用機械糾正的過程中一定要注意采用校直機進行,因為這種校直方法生產效率較高,但是工作人員必須具有豐富的工作經驗,否則就容易導致將構建表面弄出壓痕或焊縫區域出現裂紋等。

3.2 火焰加熱的糾正方法

利用火焰加熱時產生的局部壓縮塑性變形使得構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構鋼,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,工作人員在進行火焰加熱過程中,也可以同時施加機械力,這樣可以有效地提高矯正效果,構件的結構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,應當嚴格控制火焰的溫度,溫度較低或較高都無法適度地進行調配和控制,溫度較低無法調整尺寸,溫度過高又會造成加熱區域硬度降低從而導致整體強度下降,因此操作的工作人員必須具有豐富的經驗,但是與機械糾正相比,火焰加熱糾正的效率較低但適用范圍較廣。

4結語

關于對焊接變形的討論和改進研究對大型的焊接結構件的制造,如:軌道車輛轉向架;鋼、鋁合金結構的車體等的制造具有十分重要的意義和價值。根據理論結合實踐的指導方法,把理論計算結合到實際產品的實驗分析結果,由此再來制定出相應的工藝措施,這樣不斷能保證質量問題,還能對生產效率和降低生產成本產生較大的影響。

參考文獻

[1] 熊大勝.減少大型焊接結構件變形的措施[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].科技創新導報,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,2003(4):32.

[4] 李文超,尹勇,宋利鋒,等.中部槽中板焊接橫向收縮量的研究[J].煤礦機械,2011(11):11～12.