淺談焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形的控制

張振慶 周斌 代智文

摘 要：關(guān)于對焊接變形的討論和改進(jìn)研究對大型的焊接結(jié)構(gòu)件的制造，如：軌道車輛轉(zhuǎn)向架;鋼、鋁合金結(jié)構(gòu)的車體等的制造具有十分重要的意義和價值。

關(guān)鍵詞：焊接結(jié)構(gòu);焊接變形;分析原因

一、焊接結(jié)構(gòu)件變形分類

焊接結(jié)構(gòu)件變形的原因有很多，其中就包括母材的材質(zhì)導(dǎo)致的變形、填充材料導(dǎo)致的變形、焊接方法不嫻熟或者方法不正確導(dǎo)致的變形、焊接參數(shù)（WPS文件參數(shù)）導(dǎo)致的變形、焊接順序不正確導(dǎo)致的變形還有冷卻時間及焊接過程中是否有約束等問題導(dǎo)致的焊接結(jié)構(gòu)件變形等原因，但是這些原因歸根結(jié)底是由于焊接殘余應(yīng)力造成的，而焊接結(jié)構(gòu)變形又可以分為以下幾類二收縮變形—其包括垂直于焊縫方向引起的橫向收縮和焊縫方向引起的縱向收縮;彎曲變形—這個包括由于橫向收縮引起的彎曲變形和由于縱向收縮引起的彎曲變形;扭曲變形—構(gòu)件繞自身軸線的扭曲;波浪邊形—波浪變形時由于薄板焊接產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力使得構(gòu)件出現(xiàn)因?yàn)閴嚎s而形成的。

二、焊接變形的形成及將導(dǎo)致的后果

1.焊接熱過程是一個十分復(fù)雜的問題，在實(shí)施焊接作業(yè)時，焊接工藝選擇的合理性與否，可能導(dǎo)致工件整體受熱不均勻問題突出，從而造成工件內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻、工件變形嚴(yán)重，無法正常使用。

（1）焊接熱過程的局部性或不均勻性。多數(shù)焊接過程都是進(jìn)行局部加熱的，只有在熱源直接作用下的區(qū)域受到加熱，有熱量輸入，其他區(qū)域則存在熱量損耗。受熱區(qū)域金屬熔化，形成焊接熔池，這種局部加熱正是引起焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的根源。

（2）焊接熱過程的瞬時性。由于在金屬材料中熱量的傳播速度很快，焊接時必須利用高度集中的熱源。這種熱源可以在極短的時間內(nèi)將大量的熱量由熱源傳遞給工件，這就造成了焊接熱過程的時變性和非穩(wěn)態(tài)特性。

（3）焊接熱源的相對運(yùn)動。由于焊接熱源相對于工件的位置不斷發(fā)生變化，這就造成了焊接熱源的不穩(wěn)定性。

2.工件在沒有外力作用的條件下，存在平衡于物體內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力。在進(jìn)行焊接作業(yè)的工件上，工件受熱后會膨脹，冷卻后會收縮，溫度的變化使工件產(chǎn)生變形，克服這種變形產(chǎn)生了平衡于工件的熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力是由于工件不均勻加熱引起的。在沿著焊縫方向上產(chǎn)生殘余應(yīng)力稱為縱向應(yīng)力;在垂直于焊縫方向產(chǎn)生的殘余應(yīng)力稱之為橫向應(yīng)力，對進(jìn)行施焊的工件而言殘余應(yīng)力的存在對焊接工件產(chǎn)生的影響是多方面的，其中不乏負(fù)面的影響。

（1）內(nèi)應(yīng)力對靜載荷的影響。在.般焊接構(gòu)件中，焊接區(qū)的縱向拉伸殘余應(yīng)力峰值較高，對卜某些材半期來說，可以接近材料的屈服強(qiáng)度。當(dāng)外載工作應(yīng)力與其方向一致而相互疊加時，這一區(qū)域會發(fā)生塑性變形，并因而l縫失了繼續(xù)承受外載的能力，減小了構(gòu)件的有效承載面積。

（2）內(nèi)應(yīng)力對剛度的影響。如果構(gòu)件中存在與外載荷力.向一致的內(nèi)應(yīng)力，并巨內(nèi)應(yīng)力的值為材料的屈服強(qiáng)度，則在外載荷作用下的剛度要降低，并且卸載后構(gòu)件的變形不能完全恢復(fù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，橫向焊縫和火焰校正都有可能在相當(dāng)大的截面上產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。

（3）內(nèi)應(yīng)力對桿件壓穩(wěn)定性的影響。由于焊接殘余應(yīng)力在構(gòu)件內(nèi)部平衡，因此構(gòu)件截面上同時存在壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分布在不同區(qū)域。當(dāng)構(gòu)件承受壓力外載荷時，外加壓力和壓縮內(nèi)應(yīng)力疊加，將使壓應(yīng)力區(qū)內(nèi)的金屬首先達(dá)到屈服強(qiáng)度，屈服區(qū)內(nèi)的應(yīng)力不在增加，則使該區(qū)喪失了進(jìn)一步承受外載荷的能力。

三、焊接結(jié)構(gòu)件變形的預(yù)防措施和手段

以CRH3型及CRH5型動車組轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架為例，來提出本文研究的焊接結(jié)構(gòu)件變形的預(yù)防措施和手段主要有以下方面。

1.完善和改進(jìn)焊接的結(jié)構(gòu)是其中一方面。如果想要控制和預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)件的變形，首當(dāng)其沖就得在設(shè)計(jì)方面下功夫，前提設(shè)計(jì)好合理的結(jié)構(gòu)，只有把設(shè)計(jì)做好了，才能為下面的步驟打好基礎(chǔ)。做好設(shè)計(jì)的具體措施有：選擇合理的焊縫形式和大小合適的尺寸;若是遇到不必要的焊縫要盡量減少;為了避免焊縫太集中就必須合理安排焊縫的位置。

2.剛性固定法的使用。一般說來，剛性大的結(jié)構(gòu)件經(jīng)過焊接后發(fā)生變形的可能都會比較小，而剛性比較小的結(jié)構(gòu)件經(jīng)過焊接后可能會產(chǎn)生大的變形那么對待這種容易變形的結(jié)構(gòu)件就得采用專用的夾具、支撐桿、胎具或點(diǎn)固在工作臺上來提高它的剛性，以此來減小變形情況的發(fā)生，這種方法在實(shí)踐中比防止角變形和波浪變形更加有效，但必須指出的是，工人在工件焊接后，得等焊接后工件溫度下降到室內(nèi)溫度后，才能拿開固件，否則就容易出現(xiàn)事故。

3.收縮變形余量的預(yù)留。根據(jù)焊接收縮理論，得出計(jì)算值件謅形梁四周施焊收縮量2mm/m，其他結(jié)構(gòu)依此類推和經(jīng)驗(yàn)值滲數(shù)的統(tǒng)計(jì)時根據(jù)同一部件數(shù)個產(chǎn)品焊接后或類比以往相似結(jié)構(gòu)來統(tǒng)計(jì)參數(shù)，收縮余量是在工件下料及加工時預(yù)先考慮的問題，這是為了便于達(dá)到焊接工件所要求的形狀、尺寸等，在焊縫收縮的方向上預(yù)先留出收縮量，保證焊接后的構(gòu)件滿足要求的尺寸。

4.反變形法的使用。理論計(jì)算值和經(jīng)驗(yàn)可以預(yù)先估計(jì)出結(jié)構(gòu)焊件變形的大小和方向，以保證在焊接裝配時能給予一個方向相反大小也相等的人為的變形，焊接的不對稱會導(dǎo)致收縮變成角變形，那么就可以在裝配時加上一個與變形相反的角度，這樣就使得焊接后的變形與反變形相互抵消，那么工件也就滿足要求的尺寸。

四、如何糾正焊接變形

焊件變形不僅對于工作人員有很大影響，而且對整個工作的進(jìn)行都會產(chǎn)生不利的反應(yīng)，而若能將變形糾正過來，將會使得工作得以順利地進(jìn)行，糾正焊接變形的方法主要有2種——機(jī)械糾正和火焰加熱糾正，他們實(shí)質(zhì)上都是使得焊接結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生新的變形來抵消焊接變形。

1.機(jī)芯糾正方法。給構(gòu)件施加來自外部的機(jī)械力，使得構(gòu)件產(chǎn)生與原來的焊接變形的方向相反的塑性變形，以便于能夠抵消焊接變形，這樣的方法叫做機(jī)械糾正。而來自外部機(jī)械力的施加則可以通過錘擊、壓力機(jī)及碾壓等方法來實(shí)現(xiàn)，但這種方法只適合剛性較小且不太厚的板結(jié)構(gòu)。

2.火焰加熱的糾正方法。利用火焰加熱時產(chǎn)生的局部壓縮塑性變形使得構(gòu)件較長的部分在冷卻過后縮短以抵消變形，這種方法叫火焰加熱糾正，不過這種方法一般主要適用于各種低碳鋼和大部分的低合金結(jié)構(gòu)鋼，卻不適用于有晶間腐蝕傾向的不銹鋼和淬硬傾向較大的鋼，工作人員在進(jìn)行火焰加熱過程中，也可以同時施加機(jī)械力，這樣可以有效地提高矯正效果，構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和焊接變形的實(shí)際情況決定了是選擇點(diǎn)狀加熱、線狀加熱還是三角形加熱等方式。

五、結(jié)語

作為機(jī)械制造中的加工工藝，焊接的地位不斷十分重要，而且它的價值意義也是十分巨大的，現(xiàn)實(shí)中由于焊接應(yīng)力導(dǎo)致的焊接變形等，則導(dǎo)致每年近千萬元的損失，這也是在機(jī)械制造中不可避免卻又不得不避免的一個重大問題，因此，研究并探討出防止焊接結(jié)構(gòu)件變形的預(yù)防措施具有很重要的價值和意義。

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