鋼結(jié)構(gòu)件制作焊接變形的控制與分析

孫彩霞

摘 要：焊接是鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)中常用的連接技術(shù)，由于其具有非常優(yōu)良的性能，在鋼結(jié)構(gòu)的連接中得到了非常廣泛的應(yīng)用。本文就鋼結(jié)構(gòu)件制作焊接變形的控制進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)件；焊接變形；控制

引言

在焊接制造、焊接生產(chǎn)過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、拘束條件、以及壓力管道結(jié)構(gòu)不均勻相變、冷卻、加熱等原因，導(dǎo)致很容易就在焊接接頭內(nèi)產(chǎn)生瞬態(tài)變形和瞬態(tài)熱應(yīng)力。尤其是焊縫橫向收縮會(huì)嚴(yán)重影響到焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形。

一、焊接變形

焊接過(guò)程中焊件產(chǎn)生的變形稱為焊接變形。焊接是一種局部加熱的工藝過(guò)程，焊接過(guò)程中以及焊后，焊件不可避免地會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形。焊接應(yīng)力和變形會(huì)影響到焊件的性能，如強(qiáng)度、剛度、尺寸精度和穩(wěn)定性、受壓時(shí)的穩(wěn)定性和抗腐蝕性等。不僅如此，過(guò)大的焊接應(yīng)力和變形，還會(huì)大大增加制造工藝中的困難和經(jīng)濟(jì)消耗，而且往往因焊接裂紋或變形過(guò)大無(wú)法矯正而導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。

二、焊接殘余變形

影響焊接結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)變形的原因較多，如施焊過(guò)程中是否有約束、冷卻時(shí)間、焊接順序、填充材料、母材材質(zhì)、焊接參數(shù)、焊接方法等，主要影響焊接結(jié)構(gòu)變形的因素有：1）焊接方法。這個(gè)主要是反映在V與I的作用上，埋弧焊（SAW）的線能量大，手弧焊（SMAW）的線能量較小，正相反性在回轉(zhuǎn)變形上表現(xiàn)得較為顯著。2）坡口或者根部間隙。焊條金屬熔敷量W隨著坡口或者根部間隙的增大而增大，出現(xiàn)橫向收縮增大或者收縮變形的現(xiàn)象，坡口兩面角度比例有影響。3）單位長(zhǎng)度焊條金屬熔敷量W或者線能量。收縮變形量與線能量是成正比的，而lgW越大，收縮變形量也就越大。4）焊接順序。應(yīng)該盡量避免出現(xiàn)集中熱作用的現(xiàn)象，應(yīng)力求熱作用應(yīng)該做到對(duì)稱、均勻、分散。

三、控制方法

3.1設(shè)計(jì)方面

（1）盡可能減少焊縫的數(shù)量。減少焊縫數(shù)量可以明顯減小焊接變形。但工程機(jī)械工況惡劣，結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度要求高，焊縫數(shù)量之多就不可避免。

（2）選擇合理的焊縫尺寸和形狀。對(duì)于板厚較大的采用X型坡口。X型坡口的熔敷金屬量大約比V型坡口少1/2。對(duì)于更大板厚采用U型坡口或者雙U型坡口，以減少焊接變形。主梁底板和上蓋板板厚為15mm，對(duì)接焊縫位置采用X型坡口焊接，再加上一定的工裝設(shè)備，變形量得到有效地控制，而且焊縫的合格率也提高了。在保證結(jié)構(gòu)有足夠承載能力的前提下，盡可能減小焊縫尺寸。受力較大的T型接頭或者十字接頭，采用開(kāi)破口角焊縫比一般角焊縫可以大大減少焊縫的焊接變形。

轉(zhuǎn)臺(tái)立板與底板間的焊縫、轉(zhuǎn)臺(tái)立板與橫加強(qiáng)板間的焊縫、主梁側(cè)板與底板間的焊縫等等都采用了坡口角焊縫，一方面減少了焊接變形，另一方面保證了焊縫的熔深，提高了質(zhì)量。

（3）合理的選擇結(jié)構(gòu)形式和焊縫位置。合理的焊縫位置設(shè)計(jì)可以減小焊接變形。如焊縫安排對(duì)稱與截面中心軸、平行于焊接變形較小的方向、設(shè)計(jì)盡可能少的焊接量、選擇合理的平板厚度等等。

3.2工藝措施

（1）反變形。焊接前將結(jié)構(gòu)件的部件裝配成具有焊接變形相反方向的預(yù)先變性。反變形一定的程度可以抵消焊后的變形。要正確合理地使用反變形法，必須掌握焊件的變形規(guī)律。

大梁的油缸支座位置，由于主焊縫的形式導(dǎo)致該位置發(fā)生橫向彎曲變形，變形量大，油缸支座孔及內(nèi)側(cè)加工余量不足，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的性能。制作過(guò)程中采用反變形法，在主焊縫焊接前將油缸支座位置反變形3～5mm，焊接完成后變形誤差降低至1mm左右。保證了設(shè)計(jì)要求，提高性能的同時(shí)也給后續(xù)加工節(jié)省成本。

（2）預(yù)留加工余量。組對(duì)時(shí)將兩立板的間距在設(shè)計(jì)要求上放大3～4mm，同時(shí)將橫加強(qiáng)板的寬度增加。焊接完成后，兩立板間距誤差保證在1～2mm，效果顯著。

（3）剛性固定法。對(duì)于剛性小的結(jié)構(gòu)，采用胎卡具或者支撐方法，增加結(jié)構(gòu)在焊接時(shí)的剛度，達(dá)到減少焊接變形的目的。這種方法對(duì)角變形和波浪邊形有很大效果。

轉(zhuǎn)臺(tái)底板與立板之間焊縫要求為坡口14mm+焊角14mm的焊縫。焊接完成后，底板發(fā)生角變形，外側(cè)向上變形3mm左右，底板地面的平面度無(wú)法保證。在工裝臺(tái)上，底板內(nèi)外圈周邊焊接簡(jiǎn)單壓緊工裝，使用螺栓固定底板。增加底板剛度，很大程度上減少了底板的變形量。

腿箱制作過(guò)程中，側(cè)板厚度只有6mm，而側(cè)板與底板、中封板和蓋板的焊縫強(qiáng)度要求為一級(jí)焊縫。焊接時(shí)側(cè)板發(fā)生波浪變形，嚴(yán)重影響后續(xù)附件的安裝。最先采用短加強(qiáng)筋縱向固定，每隔50mm焊接加強(qiáng)筋固定側(cè)邊，保證側(cè)板與底板、中封板的垂直度。但由于側(cè)板太薄，剛度不夠，效果不明顯。后來(lái)采用長(zhǎng)板橫向固定，整體加強(qiáng)側(cè)板的剛度，明顯減少了側(cè)板的波浪變形。

大梁圓筒與底板焊接時(shí)，內(nèi)外側(cè)焊縫焊接后，自然情況下底板圓孔位置向上收縮變形15mm之多。

（4）選擇合理的焊接方法。選擇能量密度高的焊接方法，如CO2氣體保護(hù)焊，減小焊接變形。焊接不對(duì)稱構(gòu)件，選用不同的焊接參數(shù)，可以控制和調(diào)節(jié)彎曲變形。如圖1，焊縫1和2到中心軸的距離e比焊縫3和4到中心軸的距離f大，焊后引起的變形也就大。如果焊縫1和2采用比焊3和4小的焊接參數(shù)分層焊接可以使上下彎曲變形抵消。選擇合理的焊接順序分布在中心線兩側(cè)的焊縫，先焊一側(cè)焊縫產(chǎn)生的彎曲變形要比后焊一側(cè)焊縫產(chǎn)生的變形大很多。因此焊接順序總的規(guī)律是先焊焊縫少的一側(cè)，或者盡可能采用對(duì)稱焊接的方法。不同的焊縫可以采用跳焊、交替焊、對(duì)稱焊和分中逐步退焊等焊接方法。對(duì)于焊角大的焊縫采用多層多道焊縫焊接：轉(zhuǎn)臺(tái)底板與立板位置焊縫設(shè)計(jì)為坡口14mm+焊角14mm。不合理的焊接順序會(huì)導(dǎo)致立板和底板嚴(yán)重角變形。經(jīng)過(guò)研究討論，將該焊縫的層數(shù)、每道焊縫的大小、每道焊縫的焊接參數(shù)都嚴(yán)格要求。

對(duì)于比較長(zhǎng)的焊縫采用分段對(duì)稱焊接：轉(zhuǎn)臺(tái)墊板與底板的焊縫，內(nèi)外兩圈，焊縫長(zhǎng)。制作中將該焊縫分成多段圓弧，對(duì)稱焊接。

3.3 其他措施

焊前預(yù)熱也是減少焊接變形的一種手段。把焊件預(yù)先加熱到一定的溫度（一般150-200℃），然后再焊接。預(yù)熱使熔焊金屬和周圍基本金屬的溫度差比較接近，可以均勻的同時(shí)冷卻，以減少焊件的變形。

焊后回火也是一種減小結(jié)構(gòu)件焊后內(nèi)應(yīng)力的方法。將焊接完的焊件均勻加熱到一定的溫度，并根據(jù)焊件厚度保溫一定時(shí)間（一般規(guī)定每毫米厚度需保溫0.04小時(shí)），然后均勻冷卻，使金屬內(nèi)應(yīng)力全部消除。焊接完成后，整體拋丸也可以讓結(jié)構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力得到一定的散失。

變形的校正，焊接變形超過(guò)允許標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)加以修理后方可使用，校正方法有冷校正和熱力校正。冷校正是用三星或七星輥床、液壓機(jī)、校直機(jī)或錘擊等方法，來(lái)校正焊件變形。熱力校正，利用火焰在焊件上適當(dāng)?shù)牡胤郊訜幔缓笥盟倮洌偈购讣冃危_(dá)到焊件恢復(fù)到正確形狀的目的。

四、結(jié)束語(yǔ)

總之，有效地控制焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形極為重要，具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義，我們?cè)谌粘Ｉa(chǎn)活動(dòng)中，應(yīng)該盡可能地多去完善焊接工藝，從而能夠在最大程度上將焊接結(jié)構(gòu)件的焊接變形問(wèn)題控制住。

參考文獻(xiàn)：

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