工程機械大型結(jié)構(gòu)件焊接變形的原因及控制方法探討

蒲江涌，胡新，秦雪飛，何俊杰，2，金鑫，2，趙樹理

（1.寶雞石油機械有限責(zé)任公司；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721000）

在當(dāng)前的工程機械領(lǐng)域中，復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工中焊接施工技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，大型結(jié)構(gòu)件加工產(chǎn)量能占到全球鋼產(chǎn)量的45%左右。在世界工業(yè)的發(fā)展過程中，焊接結(jié)構(gòu)件發(fā)揮著十分重要的作用。相較其他的加工方式，大型結(jié)構(gòu)件加工中應(yīng)用焊接方式在有效控制材料消耗的同時，也能在復(fù)雜、高難度結(jié)構(gòu)件中體現(xiàn)出較強的加工工藝優(yōu)勢。雖然目前結(jié)構(gòu)件的焊接施工工藝已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，但是，在實際進(jìn)行焊接施工的過程中，結(jié)構(gòu)件經(jīng)常會因焊接殘余應(yīng)力等導(dǎo)致出現(xiàn)變形，成品結(jié)構(gòu)件的加工制造質(zhì)量也會受到嚴(yán)重影響。因此，針對工程機械大型結(jié)構(gòu)件焊接工藝以及變形因素進(jìn)行系統(tǒng)性分析具有重要實踐意義。

1 工程機械結(jié)構(gòu)件焊接變形種類

工程機械在實際生產(chǎn)過程中由于焊接件自身結(jié)構(gòu)、焊縫位置、焊接工藝以及結(jié)構(gòu)件應(yīng)力分布等多種因素的影響，導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)件的實際生產(chǎn)制造過程中會出現(xiàn)收縮變形、彎曲變形、扭曲變形等幾種類型。

1.1 收縮變形

對于結(jié)構(gòu)件的焊接施工來說，收縮變形是焊接變形的基礎(chǔ)單元，結(jié)構(gòu)件焊接施工后在焊縫的冷卻過程本質(zhì)上是液態(tài)向固態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)化的一個過程，在此過程中會產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，焊縫本身也會出現(xiàn)體積縮小，導(dǎo)致焊接件外形尺寸會出現(xiàn)變小的現(xiàn)象。簡單結(jié)構(gòu)件在進(jìn)行焊接施工的過中經(jīng)常會產(chǎn)生收縮變形，且大部分簡單結(jié)構(gòu)件的焊縫相對較少，焊縫方向基本保持一致，在焊縫冷卻的過程中收縮方向也基本一致，在這種情況下，出現(xiàn)收縮變形會導(dǎo)致焊接件的外形尺寸產(chǎn)生較大變化。

1.2 彎曲變形

如果結(jié)構(gòu)件加工過程中存在多條焊縫，在焊接施工后，由于存在內(nèi)應(yīng)力以及收縮變形等作用就會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生彎曲變形，焊接件通常情況下是在外形相對細(xì)長且橫截面上下尺寸存在較大差異或者焊縫分布不均勻、不對稱等情況，在焊接施工中如果焊接次序安排不合理，同樣會導(dǎo)致產(chǎn)生彎曲變形。

1.3 扭曲變形

在工程機械大型結(jié)構(gòu)件的焊接施工中，扭曲變形是最常見的一種焊接變形形式，對結(jié)構(gòu)件的影響最突出，大型結(jié)構(gòu)件通常情況下都是框架結(jié)構(gòu)形式，因此在焊接施工中一旦出現(xiàn)板材尺寸不均勻、焊縫布局不對稱或者無規(guī)律等問題的情況下，非常容易導(dǎo)致焊縫內(nèi)部應(yīng)力出現(xiàn)方向不一致、內(nèi)應(yīng)力大小不均衡的問題。此時，很難憑借經(jīng)驗對焊接件變形的位置和方向進(jìn)行精確預(yù)測，最終會引發(fā)扭曲變形。

2 大型結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生焊接變形的原因分析

結(jié)構(gòu)件一旦產(chǎn)生焊接變形后，不僅會對產(chǎn)品外觀造成影響，同時也會對產(chǎn)品使用性能產(chǎn)生影響，變形量過大會導(dǎo)致焊接件直接報廢，進(jìn)而給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，在工程機械大型結(jié)構(gòu)件焊接加工中這一問題的表現(xiàn)更為突出。大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形要想得到有效控制，首先必須針對引發(fā)變形的具體原因進(jìn)行深入分析，這樣才能采取有針對性的控制方法。工程機械焊大型結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生焊接變形的過程非常復(fù)雜，但是通常情況下，是受到焊接應(yīng)力、結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、焊接工藝不合理等因素的影響所致。

（1）焊接應(yīng)力的影響。結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生焊接變形根源在于焊接應(yīng)力。結(jié)構(gòu)件上的每條焊縫都會相應(yīng)產(chǎn)生具有一定大小和方向的焊接應(yīng)力，結(jié)構(gòu)件焊接過程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力大小會隨著焊縫結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性而產(chǎn)生變化，焊縫結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的情況下，越難預(yù)測焊接應(yīng)力的大小和方向，因此，在焊接過程中也非常容易產(chǎn)生不均勻膨脹等現(xiàn)象，焊接施工后，焊縫冷卻的過程中的收縮也會體現(xiàn)出不均勻性，在這種情況下，焊接應(yīng)力以及焊接變形也會變得更加復(fù)雜。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。如果結(jié)構(gòu)件在設(shè)計環(huán)節(jié)存在不合理，也非常容易導(dǎo)致焊接件產(chǎn)生較大焊接變形，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中如果過多設(shè)計焊縫數(shù)量，焊縫設(shè)計截面越大，焊縫位置存在不對稱等問題的情況下都會導(dǎo)致較大的焊接變形出現(xiàn)。

（3）焊接工藝不合理。結(jié)構(gòu)件制作過程中一個重點和難點問題就是指定合理的焊接施工工藝，焊接工藝合理性不僅會對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響，而且也會對焊接施工效率造成影響。結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的很多焊接變形在很大程度上都與焊接工藝存在直接關(guān)聯(lián)，例如，焊接工藝指定過程中的焊接設(shè)備選擇、焊接參數(shù)指定、焊接順序設(shè)計、選擇焊接工裝夾具等都是導(dǎo)致焊接變形的直接因素，因此，在針對大型結(jié)構(gòu)件指定焊接工藝的過程中要對焊接施工工藝的選擇進(jìn)行充分考慮，對于焊接工藝設(shè)計人員來說，要想指定出合理的焊接施工工藝，不僅要具備豐富的理論知識，同時，還要具備豐富的焊接施工經(jīng)驗。

3 焊接施工變形控制措施

從大型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)實際可以發(fā)現(xiàn)，一些工程機械大型結(jié)構(gòu)件的焊縫布置往往要比資料文獻(xiàn)中的描述復(fù)雜的多。由于大型結(jié)構(gòu)件外形尺寸、焊縫數(shù)量、焊縫布置當(dāng)時等都會存在一定差異，因此，在焊接施工后產(chǎn)生的焊接變形量以及變形方式也會存在較大差異，針對不同焊接變形需要采取不同的方式進(jìn)行有效控制。從總體上看，要想實現(xiàn)工程機械大型結(jié)構(gòu)件焊接變形的有效控制，不僅都需要在設(shè)計環(huán)節(jié)對的焊縫數(shù)量、焊縫截面進(jìn)行有效控制，同時，也要盡可能在保證焊接質(zhì)量的同時保持焊縫位置的對稱性。

3.1 工藝參數(shù)法

在結(jié)構(gòu)件焊接應(yīng)力以及焊接變形的控制中焊接工藝參數(shù)法屬于最常用的一種方法。針對大型結(jié)構(gòu)件的焊接工藝布置和參數(shù)選用需要從以下幾個方面著手：

（1）首先要對焊接施工的熱輸入進(jìn)行控制，例如，可以選擇多層焊或者二氧化碳保護(hù)焊等，在焊接施工過程中也要盡可能采取跳焊或者分段焊接的方法。

（2）保證焊接順序合理性，針對大型結(jié)構(gòu)件要盡可能采取由內(nèi)而外、從中間向兩端、先短后長的對稱焊接方式，這樣才能保障焊接過程中工件保持均勻受熱。

（3）針對不同材質(zhì)構(gòu)件的焊接要提前進(jìn)行預(yù)熱，焊接施工后要及時進(jìn)行回火處理，這樣才能有效消除焊接應(yīng)力。

（4）在焊接過程中，要以工件材質(zhì)、板材厚度、焊接位置、焊縫類型等為基礎(chǔ)來實現(xiàn)焊接施工工藝參數(shù)的合理選擇，同時要對焊接施工中的電流輸出進(jìn)行有效控制，以此實現(xiàn)焊接熱輸入的有效控制。

3.2 施工工裝模具

在工程機械大型結(jié)構(gòu)件的焊接施工過程中工裝模具的作用非常重要，通過應(yīng)用工裝模具不僅能全面提升焊接施工效率，而且焊接作業(yè)人員勞動強度也能得到有效緩解，同時，對結(jié)構(gòu)件的焊接變形也能起到有效控制作用。結(jié)構(gòu)件焊接施工中的工裝模具主要有以下幾點。

（1）搭焊平臺。在大型結(jié)構(gòu)件施工過程中，搭焊和焊接屬于兩個主要工藝流程，大型結(jié)構(gòu)件的各個零部件焊接前在工件中的位置主要是通過搭焊來實現(xiàn)固定，將各個零部件按照片間點焊的方式固定后形成一個比較牢固的框架結(jié)構(gòu)，相較平面結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)的焊接變形承受能力更高，因此，也能實現(xiàn)焊接件焊接施工中抗變形能力的有效提升。為保障搭焊過程中各零件之間的相互位置，全面提升焊接工件的尺寸精度以及位置精度，在焊接施工中，通常需要將工件整體放置在搭焊平臺上進(jìn)行搭焊，圖1為某大型結(jié)構(gòu)件搭焊平臺。

圖1 某大型結(jié)構(gòu)件搭焊平臺

（2）焊接變位機。由于工程機械的焊接外形尺寸以及自重都比較大，因此，焊接施工過程中的位置調(diào)整難度非常大。為了保障大型結(jié)構(gòu)件焊接施工過程中國的生產(chǎn)效率和焊縫質(zhì)量，可以充分利用焊接變位機來結(jié)合工件焊接施工中得空間位置變化來及時調(diào)整工件焊縫位置，這樣才能保障焊接施工施工出于對最佳焊接狀態(tài)，進(jìn)而有效提升焊縫質(zhì)量和焊接工藝性。下圖2為焊接變位機。

圖2 焊接變位機

（3）焊接夾具。在焊接工程機械大型結(jié)構(gòu)件的過程中，經(jīng)常會因領(lǐng)邊自重過大以及焊接應(yīng)力等作用的影響而導(dǎo)致位置固定難度大，針對這種情況不僅可以利用搭焊平臺進(jìn)行固定，同時，也可以利用夾具來有效夾緊零部件，進(jìn)而全面提升焊接工件的抗變形能力。因此，在工程機械大型結(jié)構(gòu)件的焊接施工過程中，也可以利用專用夾具或者通用夾具來保障焊接施工精度和施工可靠性。

（4）反變形法。結(jié)構(gòu)件焊接施工過程中，焊縫冷卻會導(dǎo)致收縮，焊接后工件的外形尺寸也會相應(yīng)變小，為了有效避免因此焊接施工導(dǎo)致的變形量，進(jìn)行工程機械大型結(jié)構(gòu)件焊接施工中也經(jīng)常會應(yīng)用反變形法。反變形法是在焊接前提前制作一個變形，并保障該變形量與焊接后工件的變形量基本相等，且變形方向相反。

4 結(jié)語

大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形本身非常復(fù)雜，而且工程機械大型結(jié)構(gòu)的自重以及外形尺寸都比較大，焊接施工中存在焊縫分布復(fù)雜，因此工程機械大型結(jié)構(gòu)件焊接變形的控制難度非常大，且由于生產(chǎn)成本較高，一旦出現(xiàn)產(chǎn)品報廢必然會給企業(yè)帶來巨大損失，由此可見，工程機械大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形控制具有十分重要的現(xiàn)實意義。本文中對幾種常見工程機械大型結(jié)構(gòu)件焊接變形控制方法進(jìn)行探討，在大型結(jié)構(gòu)件的焊接施工中通過上述幾種變形控制方法的應(yīng)用可以有效提升生產(chǎn)效率，同時，也能實現(xiàn)焊接變形的有效控制，進(jìn)而全面提升工程機械成品的合格率。