淺析不銹鋼薄板焊接變形機制及工藝改進

王婷

摘 要：本文介紹了不銹鋼薄板罐體制造工藝，不銹鋼薄板焊接工藝以及焊接變形控制。并對焊接方法進行了對比，簡要闡述了焊接過程，優化了焊接工藝，展示了不銹鋼薄板罐的焊接效果。

關鍵詞：不銹鋼薄板;焊接;變形;工藝

前言

由于不銹鋼車體與普通碳鋼車體相比具有重量輕便、運行壽命長、焊裝工藝簡單、無須涂裝、維修簡便等優點，并且與鋁合金車體相比又具有耐磨性強、疲勞強度高、維修簡便、成本低廉的優點，因此不銹鋼車體成為了城市軌道的首選。由于不銹鋼車體多采用薄板焊接而成，不銹鋼薄板在焊接時存在的焊接質量差、焊接結構變形等問題比較突出，本文結合當前不銹鋼薄板焊接當中存在的變形問題，對不銹鋼焊接工藝進行了分析，提出了相應的解決辦法，并對焊接的效果進行展示，以達到進一步提高不銹鋼薄板焊接的質量。

一、不銹鋼薄板焊接變形問題

在不銹鋼薄板焊接的過程當中，導致不銹鋼薄板變形主要是不銹鋼相對碳鋼導熱系數小，線膨脹系數大，在焊接過程中受到局部加熱、冷卻作用，形成不均勻的加熱、冷卻狀態。不銹鋼板的對接焊縫附近產生焊接拉應力，而在兩側離焊縫較遠的區域為壓應力，薄板承受不了這種應力而失去穩定，產生波浪變形。

現場實際拼裝時，對接縫裝配間隙的大小以及下料工序不嚴謹也會產生外觀缺陷。對接縫間隙過小或無間隙時，焊接過程中的熱收縮引起橫向位移，使熱影響區及其附近區域在高溫作用下產生失穩變形，并使熔池前方的薄板撓曲、隆起、錯邊;對接縫間隙過大時，焊接過程產生的熱收縮使得工件橫向位移而達不到保持熔池前方的接縫間隙，甚至燒穿。下料時對接邊緣不平直，會使對接縫局部位置的橫向收縮不能自由進行，收縮不均勻而產生焊接變形。

二、不銹鋼薄板焊接工藝分析

1、焊接材料

不銹鋼焊接要求按“等成分原則”選擇焊材。焊接前采用較小直徑的焊條進行點焊（定位焊），以增加焊件剛性，有利于控制焊接變形。

本文選擇的案例為不銹鋼薄板罐的外罐。由于不銹鋼薄板罐外罐的厚度為3mm，采用鎢極惰性氣體保護焊（TIG），保護氣體為Ar 為 99.99%的氬氣。當焊接電流為50-150 A時，氬氣流量為8-10 L/min;當焊接電流為150-250 A時，氬氣流量為12-15 L/min。

本文采用的T4003焊材的化學成分如下所示：

2、T4003的焊接性分析

T4003不銹鋼是一種鐵素體不銹鋼，該種型號的不銹鋼焊接部位彎曲性、機能性較好，一般的火車車體等均采用該種型號的鋼材制作。鐵素體不銹鋼不含鎳，主要元素為鉻（>10%）和鐵，鉻是是不銹鋼特別耐腐蝕的元素，其價格相對穩定。這類鋼具有導熱系數大，膨脹系數小、抗氧化性好、抗應力腐蝕優良等特點，多用于制造耐大氣、水蒸氣、水及氧化性酸腐蝕的零部件。

3、焊接方法對比

目前采用較多的不銹鋼薄板的焊接方法有氣體保護電弧焊、手工焊等。對比這幾種焊接方法可知，氣體保護電弧焊比一般電弧焊的生產效率較高、生產成本要低，是一種較為理想的焊接方式。一般而言氣體保護電弧焊主要是采用氬弧焊，另外氬弧焊氣體保護焊還具有以下幾個優勢：

（1）可保護氣體隔絕空氣中的氧氣和氮氣等氣體對電弧和熔池產生的不良影響，同時減少可合金元素的燒損，使焊接質量得到很大的提高。

（2）電弧燃燒穩定，熱量集中，弧柱溫度高，對于不銹鋼薄板熱影響區窄，焊件變形傾向小。

（3）焊接工藝性能好，飛濺小，煙塵小，脫渣容易，焊后無需清渣。

（4）熔敷速度快，操作簡單，生產效率高。

所以氬弧焊是一種高效、優質、低耗、節能的焊接方法。完全能夠滿足不銹鋼薄板罐的焊接質量要求。因此本文主要選擇氬弧焊作為本文的焊接方法。

三、焊接工藝及參數優化

根據上述不銹鋼薄板的焊接工藝分析，為了提高不銹鋼薄板焊接工藝的質量，本文介紹了具體焊接工藝、焊接順序，并優化了參數，較好控制了焊接變形，圓滿完成了罐體焊接。

1、焊接工藝過程

由于不銹鋼薄板罐的罐體的面積較大，而兩段的底板的面積較小，因此針對大面積的罐體采用點焊，針對底板采用焊條進行焊接。

（1）筒體直徑為800mm，故筒體縱、環縫采用點焊電弧焊進行焊接。

（2）為保證焊接質量，先將支架在下面焊好，即將方管按要求先焊成一個框架，將鋼板四周點焊到焊接平臺上，將焊接好的支架放到鋼板上定位好，按照從里到外的順序將支架和鋼板鉚焊到一起，注意焊點不要太大。焊接罐體與底板之間的焊縫，為了避免熱輸入量過大，可以采用焊兩道焊縫之后休息一下，等溫度稍微降低一點兒了再焊。完全焊接完畢后，等工件溫度完全降下來了再將鋼板與焊接平臺周圍的點焊點磨掉，從平臺上取下工件。

（3）接管與平焊法蘭角焊縫、接管與外罐角焊縫，鑒于此部位焊縫形狀和焊接條件，一般選用焊條電弧焊。若接管直徑太小，為了減少焊接難度，也可以采用TIG焊。

（4）底部與外罐殼體焊接角焊縫屬非承壓焊縫，采用熔化極氣體保護焊保護氣體為純CO2，效率高，焊縫成形好。

2、優化焊接工藝參數

不銹鋼材料，導熱系數較小、熱膨脹系數較大，焊接后較易塑性變形及產生焊接應力，同樣的焊接電流就可以得到較大的熔深（與低合金鋼相比）;材料電阻率大，焊條電弧焊時一定注意防比焊條發紅過熱，影響氬氣的穩弧及保護作用。因此，焊接時采用焊接能量集中的焊接方法是理想的選擇，并且盡量選擇較小焊接電流。不銹鋼焊接操作時，要注意嚴防焊接接頭產生晶間腐蝕、熱裂紋等缺陷。要防比晶間腐蝕及消除“貧鉻現象”，在安排焊接工藝時，應該正確選擇焊接材料，注意控制焊縫的冷卻速度。要防比熱裂紋的產生，注意有效控制焊縫雜質含量。施焊操作中要避免過高的焊接熱輸入，否則將增大近縫區的敏化溫度范圍，其結果將使焊縫熱影響區的耐蝕性降低。確定焊接參數時，要選用較小焊接熱輸入的焊接方法。在焊條電弧焊操作時，要采用小直徑焊條施焊，采用快速多層多道焊，非常必要。

經過對焊接電流、焊接電壓、焊接速度、氣體流量的合理匹配，得出了一組飛濺少、成型良好的焊接參數，見表2。焊后對試板進行X射線檢測，未發現焊縫內部有未熔合、未焊透、氣孔等缺陷，而且焊接試板的變形量≤3°。

四、不銹鋼薄板焊接變形控制

最科學的方法是采用多點加熱的方法對不銹鋼薄板產生的凸凹變形進行矯正，一般情況下，加熱點直徑不小于15mm，加熱點與加熱點之間的距離應該根據薄板的變形量大小來制定，正常的情況下在50-100mm范圍內。通過采用焊接后消除殘余應力熱處理法克服鋼制焊接構件的變形研究表明，為了更好的防治不銹鋼薄板焊接后回彈變形，穩定構件的尺寸，通過縫隙試樣、板條、板塊試樣等方式強制焊接后，再對構件進行熱處理焊后熱處理可以有效的克服薄板焊接的變形。

通過控制焊接順序減小變形。本文在焊接不銹鋼薄板罐時，先采用不銹鋼氬弧焊焊接罐壁間縱縫，再焊接環縫。焊接時接觸腐蝕介質的內側焊縫最后施焊。朝同一方向采用分段退焊或跳焊法施焊，焊接時嚴格控制層間溫度不超過100℃。罐頂組焊應在罐底檢查合格后進行，罐頂板組對應按劃好的等分線對稱鋪設。罐頂屬搭接焊縫，焊接時先焊環向短焊縫，再焊徑向長焊縫。

幾張薄板拼焊時，采用合理的焊接順序，盡量使焊縫能夠自由收縮，減少內應力，從而減少變形。短焊縫將薄板連接成可自由收縮的長條狀，直通的長焊縫在縱橫向上均無限制，自由狀態下成形，整張拼接板焊接應力很小，變形也很小。實質是減少焊接熱輸入，避免焊縫區域熱量持續疊加，縮小焊接區與結構整體之間的溫差。另外把焊接部件一端墊高，成15°-20°，做下坡焊，可提高焊接速度和減小熔深，有利于防止燒穿和減小變形。

五、取得的效果

采用如上所述的焊接工藝及變形控制的措施，經焊接檢驗，焊縫成形美觀，飛濺少，焊接變形量小，分隔板間距離偏差在±1 mm范圍內。滿足了產品的質量要求。

從焊接工藝評定結果可以看出，采用氬弧焊焊接不銹鋼，氬氣對焊縫無增碳現象，且力學性能達到了標準要求，化學成分可滿足耐腐蝕性能要求，因此完全可用于儲罐的焊接。

六、結論

不銹鋼材料已經成為了我國的交通、運輸、化工、船舶建筑等行業的重要材料之一。目前不銹鋼制成的車輛已經成為了國際上城市快速軌道車輛的主流，我國各城市也都在大力發展城市軌道交通，因此不銹鋼罐體的前景和需求也不可限量，各個制造企業也已開始積極進行技術準備和制造，這勢必大大促進我國軌道車輛用不銹鋼焊接工藝的不斷完善和發展。基于此本文主要結合不銹鋼焊接當中存在的變形問題，對不銹鋼焊接工藝進行優化設計，結合焊接裝配圖展示裝配效果。根據上述關于不銹鋼薄板的焊接工藝及變形分析可知，要提高不銹鋼薄板焊接的質量，盡量減小變形，在具體的焊接操作當中，操作員不僅需要加強焊接技能的鍛煉，而且需要選擇合適的焊接方法以及焊接工藝。

參考文獻

[1]《電焊機》，周世杰等，成都電焊機研究所

[2]《制造技術與機床》，董強等，機床雜志社

[3]《焊接學報》，張洲等，機械工業出版社

[4]《重型機械》，云濤等，機械工業出版社