焊接變形及其控制措施分析

郎書科

(渤海裝備遼河熱采機(jī)械公司，遼寧 盤錦 124209)

在焊接過程中，金屬常常會出現(xiàn)焊接變形與焊接應(yīng)力現(xiàn)象。其中，焊接應(yīng)力是金屬出現(xiàn)焊接裂紋的一個(gè)重要原因，即使金屬?zèng)]有出現(xiàn)裂紋，也會縮短金屬的使用年限，降低金屬焊接結(jié)構(gòu)的承載能力，嚴(yán)重降低產(chǎn)品的質(zhì)量。焊接變形不但會引起焊件形狀、尺寸的變化，同時(shí)在焊接過后，常常需要對其進(jìn)行較為復(fù)雜的矯正工作，有時(shí)產(chǎn)品甚至?xí)詧?bào)廢而告終。本文結(jié)合實(shí)例對常見焊接變形及其控制措施進(jìn)行深入研究，具有重要意義。

1 焊接變形的類型

焊接變形是指在焊接金屬構(gòu)件過程中，因金屬構(gòu)件中產(chǎn)生不均勻溫度場造成內(nèi)應(yīng)力達(dá)到金屬材料的屈服極限，最終導(dǎo)致金屬局部出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象。當(dāng)溫度降低至初始均勻狀態(tài)后，金屬構(gòu)件內(nèi)部便會出現(xiàn)新的內(nèi)應(yīng)力，即所謂的殘余應(yīng)力。根據(jù)變形的特點(diǎn)，焊接變形可以分為以下幾種類型：第一，橫向收縮變形，是指焊接后構(gòu)件在垂直焊接方向所產(chǎn)生的收縮變形；第二，縱向收縮變形，是指焊接后構(gòu)件在焊縫方向所產(chǎn)生的收縮變形；第三，撓曲變形，是指焊接后構(gòu)件發(fā)生的撓曲變形；第四，角變形，是指焊接后在焊縫周邊的構(gòu)件平面上出現(xiàn)的角位移；第五，波浪變形，是指焊接后構(gòu)件呈現(xiàn)波浪形，多在焊接薄板時(shí)發(fā)生。

2 焊接變形的控制措施

針對焊接結(jié)構(gòu)的使用性能與制作精度，需要對其進(jìn)行變形控制。為有效控制焊接變形，需要對影響該構(gòu)件焊接變形的因素進(jìn)行分析，并采取有效的措施對其進(jìn)行變形控制，常見的控制措施如下：

2.1 合理選擇焊縫尺寸、坡口型式

隨著焊縫尺寸的增大，焊接變形也會隨之增大。在對焊縫尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對焊接結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行計(jì)算，在滿足條件的情況下，選用最小焊縫尺寸。各種厚度典型鋼板的最小角焊縫尺寸如表1所示。

表1 最小角焊縫的尺寸情況

通過對坡口型式進(jìn)行合理選擇，能夠?qū)附幼冃芜M(jìn)行有效控制。例如，V形坡口對接接頭的角變形比雙Y形坡口的對接接頭角變形更為明顯，十字接頭與丁字接頭比不開坡口的角焊縫變形更大。

2.2 減少焊縫數(shù)量

焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能地減少焊縫數(shù)量，優(yōu)先選用厚度比較薄的構(gòu)件，通過選用加強(qiáng)筋板，能夠有效提高焊接結(jié)構(gòu)的剛度、穩(wěn)定性，從而減少焊縫的數(shù)量，降低焊接變形的可能性。

2.3 確保合理的焊縫位置

焊縫位置應(yīng)定在焊接結(jié)構(gòu)的中性軸，從而減少焊接結(jié)構(gòu)的彎曲變形。

2.4 合理選擇焊件尺寸

焊件尺寸對焊接變形具有較為顯著的影響。當(dāng)焊件的厚度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，便會產(chǎn)生最大程度的角變形。此外，在對薄板結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接時(shí)，常常會出現(xiàn)比較大的波浪變形；在對細(xì)長結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接時(shí)，常常會出現(xiàn)彎曲變形。

3 實(shí)例分析

3.1 問題描述

小噸位履帶梁主體結(jié)構(gòu)采用的是Q345鋼板，板厚在15～30 mm之間，由底板、蓋板以及若干立腹板拼焊接成封閉箱形結(jié)構(gòu)。經(jīng)現(xiàn)場跟蹤測量發(fā)現(xiàn)，小噸位履帶梁焊接變形主要表現(xiàn)為履帶梁兩端相對于底板產(chǎn)生上翹或下?lián)系淖冃乌厔荩易冃瘟坎灰?。其變形量最大時(shí)達(dá)到10 mm，大大超出技術(shù)要求范圍。

3.2 影響焊接變形的因素

通過對小噸位履帶梁整體結(jié)構(gòu)及拼點(diǎn)過程進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為影響焊接變形的因素主要有以下幾點(diǎn)：

(1)履帶梁腹板周圈焊縫為C14單邊坡口(見圖1腹板單件圖)，填平坡口后焊腳尺寸為15 mm，焊接量及熱輸入較大，是造成履帶梁焊接變形因素之一。

圖1 腹板單件圖

(2)焊接工藝參數(shù)不合理。合理的焊接工藝參數(shù)是保證焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵。在其他因素一定的情況下，電流電壓參數(shù)不合理導(dǎo)致焊接熱輸入太大，也是造成焊接變形的因素之一。

(3)焊接順序不合理。焊接操作指導(dǎo)書對焊工焊接時(shí)指導(dǎo)性不強(qiáng)，導(dǎo)致焊接變形量大小不一。

3.3 焊接變形的控制措施

由于在焊接底板與立腹板連接焊縫時(shí)，焊縫較集中，且焊接時(shí)熱輸入都在底板上方，因此單從加大底板的厚度提高底板的剛度來控制焊接變形不但會增加材料成本，而且收效不大。通過綜合考慮，從以下幾方面對履帶梁焊接變形進(jìn)行控制。

3.3.1 更改坡口尺寸

圖紙焊接坡口設(shè)計(jì)為45°，這種坡口型式由于焊接時(shí)填充金屬多，熱輸入大，導(dǎo)致焊接變形較大，經(jīng)聯(lián)合工藝進(jìn)行試驗(yàn)證明：板厚15 mm、坡口 30°的焊縫完全可以保證焊縫質(zhì)量,且焊材消耗量相對較少。因此將履帶梁腹板 4×C14 單面坡口角度改為 4×30°坡口，坡口更改后的腹板見圖2，該坡口在減小焊絲填充量的同時(shí)可減小熱輸入量，從而減少焊接變形。

3.3.2 優(yōu)化焊接工藝參數(shù)

焊接時(shí)，在其他因素一定的情況下，電流和電壓的配比值決定了焊接線能量的大小。因此，采取減小焊接熱輸入是控制焊接變形量大小的方式之一。在保證焊縫全熔透的情況下，盡量選擇低的焊接參數(shù)，從而達(dá)到控制焊后變形的目的。經(jīng)多次試驗(yàn)，焊接生產(chǎn)過程中，按表2所給焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，可較好地減小焊接熱輸入。

圖2 坡口更改后的腹板

焊接層數(shù)焊接電流I/A電弧電壓U/V1240～26024～262260～28026～283240～26026～28

3.3.3 完善焊接順序及方法

焊接時(shí)立板與上下蓋板連接外部焊縫是造成焊接變形的主要因素，因此將此焊縫進(jìn)行打底焊后暫不進(jìn)行填充及蓋面焊，待履帶梁主體結(jié)構(gòu)其余焊縫焊完后再進(jìn)行填充及蓋面焊；所有外焊縫的打底焊(第一層焊)焊接完成后，方可進(jìn)行第二層填充焊焊接，當(dāng)所有外焊縫的填充焊(第二層焊)焊接完成后，方可進(jìn)行最后蓋面焊焊接，所有焊層焊接順序、方向全部相同。

3.3.4 效果驗(yàn)證

經(jīng)過對小噸位履帶梁焊接變形控制、跟蹤及總結(jié)，在更改外側(cè)立腹板坡口角度尺寸大小、優(yōu)化焊接工藝參數(shù)、完善焊接順序及方法等手段，履帶梁焊接變形得到了有效控制，同時(shí)也大大縮短焊后整形工時(shí)，提升了焊接質(zhì)量和工作效率。

4 結(jié)語

綜上所述，在構(gòu)件焊接的過程中，需要重視焊接變形的預(yù)防和控制，了解引起焊接變形的原因，調(diào)整坡口尺寸，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，完善焊接順序及方法，縮短焊后整形工時(shí)，從而提高焊接質(zhì)量和工作效率。