分析不銹鋼薄板焊接變形影響因素與控制方法

孟繁多

中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 吉林長(zhǎng)春 130042

在目前的工業(yè)生產(chǎn)中，焊接因工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，制作加工方便；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度高，已經(jīng)成為主要的結(jié)構(gòu)連接方式。但是焊接過(guò)程中產(chǎn)生的變形和殘余應(yīng)力，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度帶來(lái)影響，特別是對(duì)于薄板，在焊縫周邊由于變形和應(yīng)力的影響，很容易引起焊縫裂開等故障。

1 不銹鋼薄板在焊接過(guò)程中發(fā)生變形的原因

不銹鋼薄板在使用范圍上非常廣泛，在不同的使用環(huán)境下鋼板的厚度也有著一定的差異。依照相關(guān)行業(yè)內(nèi)部的規(guī)定，厚度大小在0．2 ～4mm 范圍內(nèi)稱之為不銹鋼薄板，厚度大小在4 ～20mm 范圍內(nèi)則稱之為不銹鋼中板，厚度大小在20 ～60mm 范圍之內(nèi)稱之為不銹鋼厚板。在不銹鋼薄板的焊接工作中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不良的行為問(wèn)題影響到了鋼板的使用質(zhì)量，具體分為以下幾個(gè)方面因素：

1.1 材料因素

在不銹鋼薄板的焊接工作中，由于鋼板內(nèi)部材料應(yīng)力的影響，造成了焊接形變問(wèn)題。從鋼板材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分析，在焊接工作中承擔(dān)了2 種不同的負(fù)荷條件，一種屬于中面負(fù)荷，存在于材料的中間拉力、應(yīng)力以及其他外力的影響，對(duì)于鋼板材料的中面力在薄板當(dāng)中屬于均勻分布。第二種屬于垂直中面力也稱之為橫向力作用橫向力，是造成鋼板出現(xiàn)形變的重要影響因素[1]。

圖1 焊接變形圖

1.2 切割因素

不銹鋼薄板在切割工作中會(huì)產(chǎn)生形變問(wèn)題，很多不銹鋼薄板在焊接工作中存在不良的形變問(wèn)題，和切割工作存在著密切的關(guān)聯(lián)。在實(shí)際的生產(chǎn)工作中，針對(duì)不銹鋼薄板的切割方式主要分為了以下幾種：第一，電焊切割使用不銹鋼焊條，將電流上升到一定大小之后，將不銹鋼薄板進(jìn)行切割，這種切割方式相對(duì)比較粗糙，并且存在嚴(yán)重的不規(guī)范性，同時(shí)在后續(xù)的焊接工作中也會(huì)存在一定的影響，因此沒有被廣泛的使用。第二種使用等離子切割技術(shù)，這種技術(shù)層次相對(duì)較高，并且廣泛地使用在不銹鋼薄板的切割工作中，但是這種切割方式只要使用在一些非標(biāo)加工件的切割環(huán)境下，主要的工作特性是切割之后鋼板的形變量相對(duì)較小，并且切割的速率較快，鋼板的邊緣區(qū)域相對(duì)比較整齊，比較適合用一些非標(biāo)加工件的加工過(guò)程當(dāng)中。

2 不銹鋼薄板焊接過(guò)程中對(duì)變形的控制及工藝措施

2.1 保護(hù)氣體的應(yīng)用

為獲得焊接質(zhì)量較好的焊接接頭，焊接過(guò)程采用多層多道焊接，層間溫度控制在100℃以下，以減少焊縫在脆性轉(zhuǎn)變區(qū)間的停留時(shí)間，減少脆性相的析出。焊接過(guò)程中，為了避免焊縫氧化，管子正面、背面均需通保護(hù)氣體對(duì)焊接熔池進(jìn)行保護(hù)。元素為強(qiáng)奧氏體化元素，保護(hù)氣體中加入氮元素有利于增加熱影響區(qū)及焊縫區(qū)的奧氏體組織。當(dāng)保護(hù)氣體中無(wú)N2加入時(shí)，由于焊接時(shí)的不平衡冷卻過(guò)程，奧氏體轉(zhuǎn)變不完全，而且焊接過(guò)程中出現(xiàn)氮化物的析出。這是因?yàn)楦邷貢r(shí)N 在鐵素體中溶解度較高，而快速冷卻時(shí)溶解度急劇下降，尤其在焊縫近表面，由于N 的損失，使鐵素體量增加，氮化物更容易析出。因此與母材相比，熱影響區(qū)及焊縫區(qū)奧氏體相的數(shù)量少得多。當(dāng)保護(hù)氣體中加入2% N2后，焊縫中會(huì)滲入少量N 元素，而且由于N 元素分壓的增大，大大減少了熱影響區(qū)和焊縫區(qū)氮化物的析出量，從而大大增加了熱影響區(qū)及焊縫中奧氏體的含量。

2.2 選擇合理的切割技術(shù)

針對(duì)不銹鋼薄板的切割工作中，相關(guān)切割工作人員需要通過(guò)專業(yè)的切割技術(shù)，有效降低鋼板所產(chǎn)生的不良形變量。在實(shí)際的加工工作中，相關(guān)工作人員盡可能不選用手工電焊機(jī)切割的方法來(lái)進(jìn)行操作，通常情況下需要選擇等離子切割技術(shù)來(lái)進(jìn)行切割。通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)的有效應(yīng)用，實(shí)際的切割工作效率較高，并且切割完成之后鋼板邊緣區(qū)域所產(chǎn)生的形變量相對(duì)較小，如果技術(shù)條件允許的情況下，還可以采用更加先進(jìn)的激光切割技術(shù)。切割完成之后的不銹鋼薄板需要對(duì)邊緣區(qū)域進(jìn)行有效的打磨處理，以此來(lái)為后續(xù)的焊接工作打下良好的基礎(chǔ)[2]。

2.3 加工工藝方面的解決辦法

一是應(yīng)盡量采取對(duì)角對(duì)稱焊，即先焊接對(duì)角再完成對(duì)稱焊接。若焊縫不對(duì)稱，可先焊接焊縫少的一側(cè)，使后焊接的變形足以抵消前側(cè)的變形。二是焊接薄板時(shí)，定位焊要從焊件中間開始向兩端進(jìn)行定位，焊縫的長(zhǎng)度5 ～7mm，等距間隔50 ～100mm。三是預(yù)先判定焊接會(huì)產(chǎn)生何種變形，人為設(shè)置變形，使焊接變形與人為設(shè)置的變形方向相反、大小相等，防止產(chǎn)生殘余變形。四是將焊接固定在足夠剛性的基礎(chǔ)上，使焊件不能產(chǎn)生移動(dòng)。

2.4 對(duì)焊接變形進(jìn)行校正

在焊接過(guò)程中，通過(guò)采取各項(xiàng)控制措施能夠有效減少焊接變形的產(chǎn)生，但是，由于焊接工藝流程復(fù)雜，即使在嚴(yán)格控制，仍然有可能出現(xiàn)焊接變形。針對(duì)這種情況，可以采取必要的手段對(duì)焊接變形進(jìn)行校正，消除這些焊接變形。在對(duì)焊接變形進(jìn)行校正的過(guò)程中，主要采用機(jī)械校正的方式在室溫下進(jìn)行校正。校正過(guò)程中，將其放置在矯正夾具上。具體的校正過(guò)程中，需要對(duì)尺寸與精度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，確保校正后的尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。與此同時(shí)，還要在焊接過(guò)程中應(yīng)用剛性固定工藝與反變形工藝控制焊接變形。一般情況下，焊接變形校正工藝適合應(yīng)用在對(duì)局部焊接變形進(jìn)行校正的過(guò)程中。

3 結(jié)語(yǔ)

軌道客車主要采用不銹鋼薄板，車體的焊接生產(chǎn)技術(shù)是軌道客車制造的基礎(chǔ)，這將推進(jìn)不銹鋼材質(zhì)軌道客車車體焊接技術(shù)的研究和發(fā)展。在不銹鋼薄板焊接工作中，必須要充分考慮到不銹鋼的材料構(gòu)成幾何形態(tài)以及尺寸大小等相關(guān)影響因素，同時(shí)需要選擇層次更高的焊接工藝來(lái)加以保障，以此來(lái)最大限度上降低不銹鋼薄板的焊接型變量，有效提高不銹鋼薄板的焊接工作質(zhì)量[3]。