薄板焊接的特殊問題的研究趨勢探究

范靈利++劉恒

摘 要：薄板焊接的特殊問題是燒穿和變形，該文針對薄板焊接的特殊問題，分析了薄板失穩變形的原因。對薄板焊接的特殊問題的研究趨勢進行探究，致力于提高焊接接頭的力學性能。對于控制薄板焊接變形的各種措施進行總結，提高結構性能、安全可靠性和制造工藝性。

關鍵詞：薄板 焊接 變形

中圖分類號：TG404 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（a）-0115-02

隨著社會經濟的發展和制造業水平的提高，具有重量輕、工藝性能好的薄板焊接結構廣泛應用于各種大型結構制造領域。近年來控制薄板焊接燒穿和變形的各種解決方案層出不窮，用于指導生產實踐來提高產品質量。目前對薄板焊接燒穿問題已經得到很好的解決和控制，但都存在一定的缺點和不足。通過合理地安排焊縫的位置，減少焊接應力和變形等方法，對于薄板焊接的燒穿和變形問題進行研究，避免由于失穩而產生薄板焊接的特殊問題。通過提出各種解決方案，建立一套控制薄板焊接變形技術方案，從而達到減少薄板焊接中存在的易燒穿、變形大的目的，對增強產品的整體競爭力具有重要的現實意義。

1 薄板焊接的特殊問題的研究趨勢概述

薄板雖然具有質量輕、連接方便等特點，但由于其自身拘束度小，變形尤為嚴重。焊接作為一種重要的制造手段，使用這種加工方法導致的變形會嚴重地影響薄板本身的結構強度。在焊接過程中又由于局部加熱、冷卻作用，也會導致橫向收縮、縱向收縮等一系列變形。當焊縫的縱向收縮與薄板邊緣的壓力超過一定比值時，使焊接操作無法繼續進行。因此，對于薄板焊接的燒穿和變形問題進行研究，具有廣闊的應用前景。

1.1 薄板焊接的特殊問題之燒穿問題

通常對于6 mm以下的薄板，最容易產生的問題就是燒穿。薄板上產生高度不均勻的焊接溫度場，使未熔化的金屬沒有能力承受其所受到的應力作用。因此必須了解薄板焊接變形質量影響因素，改變一旦燒穿無法修補的危險局面，成功實現薄板焊接變形的控制，力求在能完成焊接的前提下減小焊接電流和控制焊接熱輸入。如圖1所示，熔池主要承受電弧壓力P和液體表面張力F，在此基礎上還存在自身重力Q的影響。

1.2 薄板焊接的特殊問題之變形問題

薄板焊接時另一突出問題就是焊接變形，這一問題更為復雜，要特別注意防止失穩而產生波浪變形。結合實際對薄板焊接失穩變形的影響因素進行較為細致的分析，發現一個操作工人的質量就可使薄板產生永久性的變形。在焊接過程中近焊縫區與遠離焊縫的區域內分別產生拉應力與殘余壓應力，具有復雜性、多元性。當焊縫的縱向收縮產生的壓應力達到臨界失穩應力時，就會在焊接接頭區域產生不協調的塑性變形。

2 控制薄板的特殊問題的研究進展

在薄板焊接中，薄板焊接燒穿問題已經得到很好的控制。但是焊接過程中的熱輸入決定了變形是不可避免的，同時焊接方法、焊接工藝和焊接程序顯著影響焊接變形的程度。通過對大量焊接不銹鋼對接試驗分析得出，設置加強筋或增加板厚等均可以減小變形。薄板對接焊時進行無間隙裝配，把薄板壓制成凸筋或波紋形在一定程度上也能有效地控制燒穿。利用橫向收縮位移，從而降低殘余壓應力和提高臨界應力以減少變形。

2.1 控制薄板的燒穿問題的研究進展

隨著對焊接燒穿機理研究的深入，通過嚴格控制焊接能量參數，減小板件初始不平度和支承條件的影響。在保證焊縫成形的情況下，既考慮工藝性又要考慮經濟性。國內外研究出了各種不同的途徑和措施來減小焊接變形，采用精裝夾具以此來保證接縫兩側的夾緊力均勻，減小鋼板切割、裝夾與焊后處理等對燒穿的影響。選擇恰當的焊接方法和工藝參數，增強未熔化的金屬承受它所受到的應力作用。盡量控制焊接電弧燃燒的穩定性，提高金屬熔池的表面張力。選擇正確的焊接電流并保持其恒定，在能完成焊接的前提下減小焊接電流和控制焊接熱輸入。這些方法均能在一定程度上減小焊接燒穿的概率，達到避免焊接燒穿的目的。

2.2 控制薄板的變形問題的研究進展

隨著對焊接變形機理研究的深入，薄板焊條電弧點固焊燒穿的焊接電流控制電路。焊接過程中的熱輸入決定了焊接變形是不可避免的，尤其是熱輸入、板的厚度和夾具對臨界板寬有顯著影響。預防和控制薄板焊接結構變形的措施層出不窮。如采用夾具固定焊件，盡可能考慮將焊縫布置在靠近結構中心線的區域內；在沒有預變形的情況下，在焊接工藝上盡可能合理運用剛性固定法和反變形法；增加焊件的約束，使焊接變形控制在產品技術公差要求范圍以內。夾具的約束作用可以控制和減小焊后殘余應力分布及變形，在此基礎上正確選用焊接方法和焊接材料。當薄板焊接構件出現較大殘余變形而無法達到產品的使用要求時，還可通過逐點擠壓法和機械拉伸法等進行焊后矯正。

3 薄板焊接的特殊問題的研究趨勢前景

薄板焊接變形影響因素的研究及焊接變形控制措施的研究，有很大的實用意義和發展前途。隨著計算機軟硬件技術的發展和相關理論的不斷完善，根據有限元計算結果進行制造工藝參數的優化可省去大量的摸索實驗時間，從而得出各種條件下薄板失穩變形模態，詳盡地掌握焊接應力和變形的產生及發展過程。

（1）通過結構的彈性屈曲分析，通過一次彈性有限元分析求得整個構件的焊接變形。要成功實現薄板焊接變形的控制，進行大量的數值模擬評估薄板結構尺寸，預測和控制焊接殘余應力和變形。針對薄板結構厚度方向尺寸遠小于其他兩個方向尺寸的特點，使焊接變形控制在產品技術公差要求范圍以內。通過利用有限元數值模擬技術與板的穩定理論相結合的方法，有效減少了計算工作量。

（2）在焊接熱循環過程中通過跟蹤熱應變行為來計算熱應力和應變，數值模擬結果與實測結果的對比證實了這種方法的有效性。對薄板焊接變形的預測與控制進行大量研究，預測大型復雜薄板結構焊后變形的數值分析技術變得尤為重要。將二維熱彈塑性數值模擬與三維結構屈曲分析結合起來，使有限元法得到更加廣泛的應用。隨著大型有限元軟件的開發并取得了良好的效果，縮短與國外技術的差距奠定基礎。

4 結語

近年來，國內外學者針對薄板焊接過程中存在的主要問題進行了深入的研究，已經在一定程度上可以很好地控制焊接燒穿與變形。但由于薄板焊接變形具有復雜性、多元性，在很多情況下解決辦法還未搞清楚，因此仍然是國內外薄板焊接制造業的一個技術難題，還需配合其他控制焊接變形的措施，增強焊接質量。

參考文獻

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