鋁合金構(gòu)件焊接變形研究及焊接工藝優(yōu)化

吳松

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，鋁合金構(gòu)件在機(jī)械制造行業(yè)發(fā)揮了巨大的作用，尤其鋁合金應(yīng)用到現(xiàn)代高端設(shè)備中實(shí)現(xiàn)了機(jī)械設(shè)備性能的進(jìn)一步完善，但是鋁合金材料由于具有傳熱性強(qiáng)、膨脹系數(shù)大一級(jí)散熱速度快的特點(diǎn)，因此其在焊接的過(guò)程中容易出現(xiàn)變形量超過(guò)允許值的問(wèn)題，因此需要我們?cè)谶M(jìn)行鋁合金焊接時(shí)注重其變形研究，通過(guò)合理的控制措施，提高鋁合金構(gòu)件焊接工藝，以此提升我國(guó)裝備制造技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：鋁合金;焊接;變形;工藝

引言

現(xiàn)階段，隨著我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，鋁合金構(gòu)件在機(jī)械生產(chǎn)制造過(guò)程中所發(fā)揮的價(jià)值越來(lái)越明顯。尤其在一些現(xiàn)代化高端機(jī)械設(shè)備當(dāng)中，通過(guò)鋁合金構(gòu)件的應(yīng)用可以使機(jī)械性能得到進(jìn)一步的完善。但是從特性來(lái)看，鋁合金構(gòu)件傳熱性能較強(qiáng)，膨脹系數(shù)比較大，散熱速度非常快，在實(shí)際焊接的過(guò)程中非常容易出現(xiàn)變形量過(guò)大的問(wèn)題。因此工作人員在焊接過(guò)程中要重點(diǎn)考量焊接變形問(wèn)題，通過(guò)恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段，全面提升焊接的質(zhì)量和效率。

1鋁合金構(gòu)件焊接變形的原因

鋁合金構(gòu)件焊接變形的原因主要有四種：①由于焊弧熱導(dǎo)致母材融化成池狀，也就是我們常說(shuō)的“熔池”。熔池的大小和具體形態(tài)對(duì)于鋁合金構(gòu)件焊接效果的影響是非常明顯的。如果熔池尺寸比較大的話，會(huì)有大量的參與熱量導(dǎo)出，這種熱量一旦作用于構(gòu)件焊接部位，就會(huì)導(dǎo)致焊接部位出現(xiàn)嚴(yán)重的變形問(wèn)題;②鋁合金構(gòu)件焊接過(guò)程中熱加工與冷加工的交替使用。熱加工主要的工作目的是將焊接部位進(jìn)行軟化處理，使鋁合金構(gòu)件能夠與焊接部位進(jìn)行充分融合。冷加工主要目的是讓焊接部位以最快的速度凝固，避免焊接部位出現(xiàn)變形問(wèn)題。冷加工與熱加工結(jié)合焊接方式具有非常高的實(shí)踐價(jià)值，但是在實(shí)際使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于操作不當(dāng)而產(chǎn)生的不良影響，不僅對(duì)冷、熱加工實(shí)際效果造成影響，同時(shí)還會(huì)直接引發(fā)焊接變形問(wèn)題;③焊接過(guò)程中焊接構(gòu)件在單位時(shí)間當(dāng)中所傳遞的熱量，這也是引發(fā)焊接變形的重要原因之一。如果熱量的傳導(dǎo)效率過(guò)大，就會(huì)使焊接部位母材熔化速度加快，進(jìn)而導(dǎo)致焊接成功率大大下降，在后期更是容易出現(xiàn)嚴(yán)重的焊接問(wèn)題;④焊接過(guò)程中熱量均勻性把握狀況，如果構(gòu)件的各個(gè)部位受熱不均勻，就會(huì)與其感受到的熱量產(chǎn)生多種不同的反應(yīng)，從而引發(fā)變形問(wèn)題。

導(dǎo)致焊接變形的原因是多方面的，根據(jù)焊接變形類型的不同導(dǎo)致其變形的原因也是不同。實(shí)踐中由于焊縫區(qū)域的溫度高于焊接周圍的溫度，因此也會(huì)造成焊接縫變形量比較大，以此產(chǎn)生偏心拉應(yīng)力，該力會(huì)造成出現(xiàn)縱向繞曲。而錯(cuò)邊變形主要發(fā)生在焊接的初期階段，一旦出現(xiàn)焊接錯(cuò)邊問(wèn)題就會(huì)導(dǎo)致焊接無(wú)法繼續(xù)的問(wèn)題。

2鋁合金焊接焊接變形的誘發(fā)機(jī)制

根據(jù)鋁合金焊接變形的產(chǎn)生原因，導(dǎo)致焊接變形出現(xiàn)的誘發(fā)機(jī)制主要是：一是接頭中間與周圍產(chǎn)生的溫度差導(dǎo)致出現(xiàn)殘余應(yīng)力;二是接頭兩邊的溫度不同而導(dǎo)致變形;三是焊接力導(dǎo)致彈塑性形變;四是金屬流變阻力和焊接牽引力同時(shí)作用導(dǎo)致變形。

3鋁合金構(gòu)件焊接工藝優(yōu)化的具體措施

3.1對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行全面控制

工作人員在焊接工作中要始終遵循焊接工藝的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，全面發(fā)揮自身焊接工作經(jīng)驗(yàn)，從細(xì)節(jié)角度出發(fā)對(duì)焊接變形現(xiàn)象進(jìn)行全面控制。例如在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，工作人員可以通過(guò)應(yīng)力形變實(shí)驗(yàn)的方式，全面分析應(yīng)力出現(xiàn)的大小，并結(jié)合設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫尺寸進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)。在焊接過(guò)程中結(jié)合實(shí)際情況使用反變形以及剛性固定組裝的方式實(shí)現(xiàn)焊接全面預(yù)防。在焊接工作結(jié)束之后，為防止出現(xiàn)殘余變形的現(xiàn)象，工作人員可以使用加熱矯正的方式，也可以利用機(jī)械外力對(duì)其進(jìn)行矯正。如果具備一定生產(chǎn)條件的話，建議現(xiàn)場(chǎng)工作人員開展焊接實(shí)體試驗(yàn)，準(zhǔn)確把握焊接工作中需要優(yōu)化的細(xì)節(jié)，并結(jié)合鋁合金構(gòu)件的具體參數(shù)進(jìn)行下一步優(yōu)化，最終使鋁合金構(gòu)件的性能達(dá)到最佳。

如果焊接試驗(yàn)存在問(wèn)題的話，工作人員要在第一時(shí)間對(duì)出現(xiàn)變形現(xiàn)象的構(gòu)件進(jìn)行返修處理，在處理過(guò)程中要盡量使用能量密度比較高的熱源，全面控制焊接的受熱面積。

3.2優(yōu)化焊后檢查工作

首先工件焊接完畢之后，在進(jìn)行焊縫無(wú)損檢查之前，應(yīng)及時(shí)清除焊縫及焊縫兩側(cè)的焊渣、殘存焊劑，預(yù)防因焊渣、殘存焊劑腐蝕工件表面而出現(xiàn)不良影響;其次焊接完畢后，若出現(xiàn)焊瘤或焊接接頭余高過(guò)高等問(wèn)題，必須及時(shí)去除缺陷。應(yīng)通過(guò)射線探傷或超聲波確定返修范圍，具體返修范圍應(yīng)超過(guò)缺陷部位面積，通?？上蛉毕輧深^分別擴(kuò)展80-100mm。如果探測(cè)結(jié)果明確指出缺陷靠近外側(cè)或內(nèi)側(cè)，可先返修該側(cè)。另外由于電弧長(zhǎng)短對(duì)焊接質(zhì)量也有顯著影響，而電弧電壓決定電弧長(zhǎng)短，因此，在焊接時(shí)，依據(jù)焊接試驗(yàn)，需要控制好電弧電壓，產(chǎn)生適宜長(zhǎng)度的電弧長(zhǎng)度進(jìn)行焊接。

3.3對(duì)焊接設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全面優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，焊接工程技術(shù)的種類呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)，工作人員在生產(chǎn)過(guò)程中可選取的焊接技術(shù)越來(lái)越多，因此工作人員可以充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合鋁合金構(gòu)件焊縫實(shí)際狀況選擇合適的焊接技術(shù)。技術(shù)方案確定之后，工作人員需要對(duì)鋁合金構(gòu)件的尺寸、規(guī)格以及形狀等基礎(chǔ)性參數(shù)進(jìn)行全面而細(xì)致的規(guī)劃，將構(gòu)件與母材之間的縫隙控制在最小范圍之內(nèi)。這樣一來(lái)就能夠?qū)⑺矔r(shí)變形和殘余變形對(duì)焊接工作的影響降至最低。焊接技術(shù)的不合理使用不僅會(huì)導(dǎo)致焊接效率下降，同時(shí)還會(huì)對(duì)鋁合金構(gòu)件本身造成破壞，進(jìn)而引發(fā)焊接成本的上升。在這種情況下工作人員可以借助信息技術(shù)，通過(guò)模擬焊接的方式明確技術(shù)的可操作性，這樣一來(lái)可以全面提升焊接工作的精確性，信息模擬焊接技術(shù)在現(xiàn)階段焊接工作中已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并在機(jī)械裝備生產(chǎn)領(lǐng)域得到全面推廣。

3.4做好焊接設(shè)計(jì)

對(duì)于鋁合金構(gòu)件焊接變形問(wèn)題主要舉措就是做好設(shè)計(jì)，降低焊接變形量。為此我們從兩個(gè)方面入手：一是做好焊接設(shè)計(jì)。在進(jìn)行焊接工藝設(shè)計(jì)時(shí)需要采取比較成熟的方案，并且合理布局焊接的位置，尤其是要對(duì)鋁合金構(gòu)件與主體裝備結(jié)構(gòu)之間的焊接縫隙的大小、形狀等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低焊接縫的數(shù)量，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接結(jié)束后可能出現(xiàn)的殘余變形問(wèn)題;二是做好產(chǎn)品制造階段的設(shè)計(jì)。對(duì)制造產(chǎn)品焊接的設(shè)計(jì)主要是對(duì)焊接工藝的參數(shù)等進(jìn)行熟記，并對(duì)相關(guān)的理論知識(shí)做到熟記于心。并且做好焊接的檢查工作，如果發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)殘余變形之后，要及時(shí)的采取相應(yīng)的措施給予矯正，達(dá)到對(duì)變形量的控制，達(dá)到焊接要求。

結(jié)語(yǔ)

綜上可知，當(dāng)前鋁合金焊接工藝在開展過(guò)程中仍然存在著瞬時(shí)變形、殘余變形等問(wèn)題，影響工件的質(zhì)量。因此，為了提升整體焊接工藝水平，要求焊接技術(shù)人員在實(shí)際工作開展過(guò)程中提高自身“預(yù)防為主”的作業(yè)理念，同時(shí)在構(gòu)件焊接工藝中，針對(duì)變形現(xiàn)象做出適當(dāng)處理。例如，從優(yōu)化焊后檢查環(huán)節(jié)、提高焊接技術(shù)、制定焊接方案等層面入手，對(duì)鋁合金構(gòu)件焊接工藝進(jìn)行有效控制，以期提升整體工件設(shè)計(jì)水平。

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（作者單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)）