大型結(jié)構(gòu)件焊接變形的控制方法

1、大型結(jié)構(gòu)件焊接變形的控制方法大型結(jié)構(gòu)件在實(shí)際生產(chǎn)中是指體積龐大、自身質(zhì)量大、由結(jié)構(gòu)鋼焊接而成的零部 件，隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，大型結(jié)構(gòu)件不僅在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，而且對(duì)其 尺寸精度和形位公差提出了更高的要求。本文從焊接變形產(chǎn)生的機(jī)理角度進(jìn)行探 索，提出了減少焊接變形的措施，并對(duì)焊后減少焊接應(yīng)力、焊接變形矯正等方面 提出有效的解決方法。圖1:大型結(jié)構(gòu)件一、焊接變形產(chǎn)生的機(jī)理眾所周知，焊接過(guò)程是利用電弧熱、物理熱、化學(xué)熱等熱能將母材金屬及焊材融 化形成焊接熔池，熔池凝固從液相轉(zhuǎn)變成固相的結(jié)晶過(guò)程，本質(zhì)上是一個(gè)冶金過(guò) 程。焊接凝固和鑄造凝固雖然都經(jīng)歷結(jié)晶成核、長(zhǎng)大的過(guò)程。但前者是非平衡凝 周，后者是

2、平衡凝固，二者有很大區(qū)別。1、焊接熔池體積小，冷卻速度快。其平均冷卻速度高達(dá)100Q/S,約為鑄造的104倍。所以焊縫金屬中極易形成氣孔、裂紋、夾雜、偏析等缺陷。2、熔池中的液態(tài)金屬處于過(guò)熱狀態(tài)，熔池中心與邊緣的液態(tài)金屬溫度梯度比鑄 造高103-104倍。3、熔池在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶，結(jié)晶前沿隨熱源同步移動(dòng)，結(jié)晶主軸逆散熱方向并 向熱源中心生長(zhǎng)，到焊縫中心區(qū)停止生長(zhǎng)。此區(qū)是雜質(zhì)易聚集區(qū)。4、母材融合線上存在大量現(xiàn)成表面，在半融化晶粒上形核后外生長(zhǎng)成聯(lián)生結(jié) 品，表現(xiàn)出焊接熔池非均質(zhì)形核的特點(diǎn)。焊接過(guò)程的這些特點(diǎn)使得結(jié)構(gòu)件在焊接過(guò)程進(jìn)行當(dāng)中，當(dāng)其局部受熱時(shí)，因受其 周圍構(gòu)件約束不能充分伸展，產(chǎn)生壓應(yīng)力

3、；當(dāng)其冷卻時(shí)，因焊縫收縮而產(chǎn)生拉應(yīng) 力，使焊件產(chǎn)生彎曲變形。故當(dāng)焊接過(guò)程結(jié)束后，焊件內(nèi)部既存在著壓應(yīng)力又存 在著拉應(yīng)力，既存在著彈性變形又存在塑性變形，焊縫內(nèi)部因焊縫收縮產(chǎn)生壓應(yīng) 力，焊縫周邊的母材金屬因受拉而產(chǎn)生拉應(yīng)力?？梢哉f(shuō)這些應(yīng)力和應(yīng)變的產(chǎn)生是 不可避免的。因此，我們應(yīng)利用此機(jī)理對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接工藝因素 兩個(gè)方面控制其對(duì)焊接變形的影響。二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面應(yīng)注意的問(wèn)題1、在結(jié)構(gòu)許可的情況下盡量減少焊縫數(shù)量焊縫數(shù)量少，需要輸入的焊接熱能就小，焊接變形就會(huì)減小。某廠生產(chǎn)的火車底 座其上下平面原來(lái)按形狀分別由4-6塊鋼板拼焊而成，焊接變形大且難以矯正， 后上下底面改用整板下料制作，減少

4、了十幾道焊縫，焊后整體變形很小，節(jié)約了 工時(shí)和焊材，效果十分顯著。用鋼板焊接的箱體類，若厚度在10mm以下，可先將鋼板彎曲成一定形狀然后再進(jìn)行焊接，這樣不但可以減少焊縫數(shù)量，使焊縫對(duì) 稱和外形美觀，而且可以提高構(gòu)件剛度，減少構(gòu)件變形。某廠生產(chǎn)的各種油箱、 水箱，原來(lái)用6塊鋼板在棱邊處焊接，剛性差，焊接變形大，需要焊6道焊縫。后改為前后面折邊，兩端封板，這樣只需下 4塊板，焊4道焊縫即可，且剛性 好，焊接變形小。2、合理設(shè)計(jì)焊縫形式及尺寸對(duì)接焊縫的受力狀況好于角焊縫，因此，在可能的情況下優(yōu)先采用對(duì)接焊縫。眾 所周知，焊縫尺寸越大，須填充的焊接材料就越多，焊接時(shí)輸入焊件中的熱量就 越大，焊縫收縮時(shí)

5、產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力就越大，焊件的焊接變形就越大。因此，在滿足 強(qiáng)度要求的前提下應(yīng)盡量減小焊縫尺寸。3、焊縫位置應(yīng)盡量對(duì)稱布置在焊接過(guò)程中，焊件因局部受熱和快速冷卻內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力和拉應(yīng)力而產(chǎn)生應(yīng) 變。當(dāng)焊縫位置對(duì)稱時(shí)，焊縫冷卻時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變就可以相互抵消一部分， 整體上就可以得到較小的變形?？p位置應(yīng)盡量布置在構(gòu)件剛度較大的地方，在其它條件相同的情況下，焊縫所處位置剛度越大，其焊接變形相對(duì)要小，對(duì)控制焊 件的整體變形有利。4、焊縫位置避免集中和重疊當(dāng)焊縫相對(duì)集中和重疊時(shí)，熱影響區(qū)相互影響，不僅使熱影響區(qū)的母材金屬因反 復(fù)加熱而變得晶粒粗大，機(jī)械性能下降，而且使得變形加大，影響焊件尺寸精度。因 此，應(yīng)

6、將焊縫盡量錯(cuò)開(kāi)，各條焊縫之間的距離應(yīng)保持在100mm以上。三、焊接工藝設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題1、保證下料尺寸合理準(zhǔn)確下料尺寸準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到構(gòu)件的尺寸精度，進(jìn)而直接影響構(gòu)件的組焊精度。下料尺寸偏短，則焊縫組焊間隙就偏大，所需填充的焊接材料就多，焊件所受的 熱量就越多，焊件的焊接變形就相對(duì)要大，通常焊件組對(duì)間隙要小于3mm。對(duì)型材，若為熱切割方式下料，則要求留少許余量，切割后打磨掉余量。2、控制組合胎具尺寸精度組合胎具的精度是保證焊接件組焊尺寸準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵，若組焊胎具的偏差過(guò) 大，結(jié)構(gòu)件的組焊尺寸精度的保證就無(wú)從談起。對(duì)大型結(jié)構(gòu)件，不但要控制其縱 橫軸向的尺寸偏差，而且要控制關(guān)鍵截面的對(duì)角線偏差。

7、通常要求大型組焊件組 焊胎具的線性尺寸偏差在千分之二以內(nèi)。另外，亦應(yīng)對(duì)組合平臺(tái)的平面度加以控 制，平臺(tái)的平面度過(guò)大，工件壓緊后會(huì)產(chǎn)生變形，造成工件組焊后的平面度偏差 過(guò)大。通常，控制組合平臺(tái)的平面度在 3mm范圍之內(nèi)。3、選擇合理的焊接方法焊條電弧焊作為一種常用的焊接方法因其簡(jiǎn)單方便，適應(yīng)性強(qiáng)而在生產(chǎn)中得到廣 泛的應(yīng)用。但缺點(diǎn)是效率低。埋弧自動(dòng)焊因輸入電流大、熔敷效率高而在長(zhǎng)焊縫 連續(xù)焊接的大型工件中得到較多應(yīng)用，但它不適應(yīng)井架、鉆臺(tái)等較短焊縫的焊 接。CO2氣體保護(hù)焊因其電流密度大、焊絲熔率高、熱影響區(qū)小、焊接變形小、 厚板薄板均能焊接、焊接成本低、生產(chǎn)效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越多地在焊接領(lǐng)

8、域中得到推廣應(yīng)用。目前所需要解決的問(wèn)題是焊接飛濺大、當(dāng)CO2氣體純度低于99.5%時(shí)焊縫中易產(chǎn)生大量的氣孔，這可以通過(guò)采取使用高純度CO2氣體，配以使用藥芯焊絲、以及使用混合保護(hù)氣等措施加以解決。4、選擇合理的焊接工藝參數(shù)和焊接順序通常，大型結(jié)構(gòu)件焊縫尺寸都較大，需填充的焊接材料多，輸入焊接熱能大，焊 件的變形相對(duì)要大，且焊縫內(nèi)部易產(chǎn)生缺陷。因此，對(duì)于焊縫尺寸較大的焊接結(jié) 構(gòu)件（通常指角焊縫焊高尺寸6mm以上）可采用適當(dāng)?shù)男≈睆胶笚l（絲）、小 電流、大線速度、多層多道焊等焊接工藝來(lái)控制焊接變形。但應(yīng)注意，過(guò)小的焊 接電流會(huì)導(dǎo)致焊不透等缺陷。定位焊位置要選在剛性大，焊接變形小的地方，以 便定位焊

9、能定位準(zhǔn)確；在確定焊接順序時(shí)，對(duì)稱結(jié)構(gòu)要采取兩邊同參數(shù)同時(shí)施焊：以使焊接熱變形相互抵消一部分，達(dá)到減少焊接變形的目的。自拼車大梁是焊接 工字鋼結(jié)構(gòu)，采用專用組焊工裝壓緊定位，兩名焊工在兩側(cè)從中間用相同的工藝 參數(shù)同時(shí)跳焊。由于焊縫尺寸較大，采用多層多道焊，經(jīng)過(guò)采取以上工藝措施，有效地控制了焊接變形，十幾米長(zhǎng)的工件具平面度，上下翼板的平行度均控制在 圖紙所要求的范圍之內(nèi)。5、使用專用焊接工裝大型焊接結(jié)構(gòu)件由于工件尺寸較大，整體的焊接變形積累值就越大，因此大型焊 接件通常都采用專用焊接工裝組焊，工件定位后壓緊焊接，避免了在自由狀態(tài)下 組焊，工件在工裝內(nèi)始終處于最佳的焊接位置，可以得到較小的焊接變形

10、。如在 套裝井架制造過(guò)程中，在組焊單片時(shí)使用單片組焊專用工裝，在井架大組合時(shí)在 專用的鑄梁平臺(tái)上組焊，從而合理的控制了井架的變形問(wèn)題。四、焊接應(yīng)力的消除與焊接變形的矯正焊接變形與焊接殘余應(yīng)力密切相關(guān)，正是因?yàn)楹缚p內(nèi)部存在焊接殘余應(yīng)力才導(dǎo)致 了焊接變形的產(chǎn)生。若焊縫中存在著較大的殘余應(yīng)力，則在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng) 力集中現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋，造成工件的損壞，給設(shè)備造成重大的 安全隱患。同時(shí)隨著工件的使用，焊接殘余應(yīng)力不斷釋放，又會(huì)產(chǎn)生新的變形。 因此，在工件組焊完以后，通常要進(jìn)行消除應(yīng)力處理和調(diào)矯變形，使其能夠滿足 圖紙要求和使用要求。1、消除焊接應(yīng)力的方法目前常用的消除應(yīng)力方法有：自然

11、時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效和熱處理去應(yīng)力，它們各有自 身的特點(diǎn)。自然時(shí)效簡(jiǎn)單易行，無(wú)需任何設(shè)備，只需一塊適當(dāng)?shù)目盏鼐托?，幾?不發(fā)生任何費(fèi)用。但自然時(shí)效周期較長(zhǎng)，且不能完全消除殘余應(yīng)力，因此對(duì)生產(chǎn) 周期短，交貨要求急的產(chǎn)品不太適應(yīng)。振動(dòng)時(shí)效因其設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn) 周期短（通常不超過(guò)30分鐘）、減小應(yīng)力效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)得到了越來(lái)越多地 應(yīng)用。但振動(dòng)時(shí)效只能減小殘余應(yīng)力的峰值而不能消除殘壓應(yīng)力，故振動(dòng)時(shí)效對(duì) 減少現(xiàn)存變形的效果不大但對(duì)防止以后使用中將會(huì)產(chǎn)生的變形能起到較好地預(yù)防 作用。熱處理整體消除焊接應(yīng)力的效果最好，在適當(dāng)?shù)臏囟认峦Ａ暨m當(dāng)時(shí)間，幾 乎可將焊接殘余應(yīng)力完全消除。它對(duì)重要的小型焊接件來(lái)說(shuō)是

12、行之有效的；對(duì)大 型焊接件，由于受加熱爐尺寸的限制通常不能整體加熱消除應(yīng)力。在焊件變形處 局部加熱消除焊接應(yīng)力和應(yīng)變亦能取得較好效果，但應(yīng)注意加熱溫度要嚴(yán)格按國(guó) 家有關(guān)碳鋼、低合金鋼的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的熱處理溫度進(jìn)行。實(shí)際生產(chǎn)中局部加熱溫度 較難精確控制，通常用測(cè)溫計(jì)監(jiān)控工件的實(shí)際受熱溫度。2、焊接變形的矯正對(duì)大型焊接結(jié)構(gòu)件的焊接變形通常采用機(jī)械矯正和熱處理矯正兩種方法。用機(jī)械 矯正法矯正焊接變形是目前生產(chǎn)中廣為采用的一種矯正方法，它是通過(guò)對(duì)焊件變 形施加反方向的機(jī)械作用力來(lái)達(dá)到矯正變形的目的。不需要復(fù)雜的設(shè)備，操做起 來(lái)亦很簡(jiǎn)單，效果往往不錯(cuò)。缺點(diǎn)是對(duì)消除焊接殘余應(yīng)力的效果不明顯，在使用 過(guò)程中隨著殘余應(yīng)力的釋放會(huì)產(chǎn)生新的變形。熱矯正是在焊件局部變形處對(duì)處于 拉伸部分進(jìn)行局部加熱，使其冷卻時(shí)收縮產(chǎn)生反變形從而達(dá)到矯正變形的目的。目前常用的加熱方法有火