李强、杨少华
中车青岛四方机车车辆股份有限公司
山东省青岛市 266109
摘要：结构件在焊接过程中由于局部加热而造成温度分布的不均匀,结构将不可避免地产生焊接残余变形。焊接残余变形是影响结构设计完整性、制造工艺合理性和结构使用可靠性的关键因素。针对焊接技术的难点,本文主要阐述实用焊接变形的影响因素及控制措施和方法。
关键词：焊接变形 影响因素 控制措施
钢材的焊接通常会采用金属的熔化焊方法。金属的熔化焊方法是在接头局部加热,使被焊接金属（也称母材）和填充金属加热熔化成为液体金属,形成熔池,随后冷却凝固成固态金属,使原来分开的两块钢材连接成整体。由于焊接加热,使母材产生膨胀、冷却、熔池金属和熔合线附近母材产生收缩,因加热、冷却这种热变化在局部范围急速地进行,膨胀和收缩变形均受到拘束而产生塑性变形。焊接完成并冷却至常温后塑性变形残留下来。
1、焊接变形的影响因素
焊接变形可以分为在焊接热过程中发生的瞬态热变形和在室温条件下的残余变形。焊接变形包括收缩变形、弯曲变形、角变形、波浪变形、错边变形、扭曲变形等基本变形形式。影响焊接变形的因素很多,主要有材料、结构和工艺3个方面。
1.1 焊缝在结构中的位置
焊缝在焊接结构中的位置不对称,往往是造成结构整体弯曲变形的主要因素。当焊缝处在焊件中性轴的一侧时,焊件在焊后将向焊缝一侧弯曲,且焊缝距离中性轴越远,焊件就越易产生弯曲变形。在整个焊接结构中,如中性轴两侧焊缝的数目各不同,且焊缝距中性轴的距离也各不相同,也易引起结构的弯曲变形。
1.2 材料因素的影响
材料对于焊接变形的影响不仅和焊接材料有关,而且和母材也有关系。材料的热能参数和力学性能参数都对焊接变形的产生过程有重要的影响。其中热能参数的影响主要体现在热传导系数上,一般热传导系数越小,温度梯度越大,焊接变形越显著。力学性能对焊接变形的影响比较复杂,热膨胀系数的影响最为明显,随着热膨胀系数的增加焊接变形相应增加。同时材料在高温区的屈服极限和弹性模量及其随温度的变化率也起着十分重要的作用,一般情况下,随着弹性模量的增大,焊接变形随之减少而较高的屈服极限会引起较高的残余应力,焊接结构存储的变形能量也会因此而增大,从而可能促使脆性断裂,此外,由于塑性应变较小且塑性区范围不大,因而焊接变形得以减少。
1.3 结构因素的影响
焊接结构的设计对焊接变形的影响最关键,也是最复杂的因素。衡量焊接结构刚性大小的一个定量指标是拘束度。拘束度有拉伸拘束度和弯曲拘束度。随拘束度的增加,焊接残余应力增加,而焊接变形则相应减少。金属结构的刚性主要取决于结构的截面形状及其尺寸的大小。结构在焊接变形过程中,工件本身的拘束度是不断变化着的,因此自身为变拘束结构,同时还受到外加拘束的影响。
1.4 工艺因素的影响
焊接工艺对焊接变形的影响方面很多,例如焊接方法、焊接输入电流电压量、构件的定位或固定方法、焊接顺序、焊接胎架及夹具的应用等。在各种工艺因素中,焊接顺序对焊接变形的影响较为显著,一般情况下,改变焊接顺序可以改变残余应力的分布及应力状态,减少焊接变形。多层焊以及焊接工艺参数也对焊接变形有十分重要的影响。
2、焊接变形的控制
2.1 设计措施
(1)选择合理地焊接的尺寸和形式。焊接尺寸直接关系到焊接工作量和焊接变形的大小。焊缝尺寸大,不但焊接量大,而且焊接变形也大,因此,在保证结构的承载能力的条件下,设计时应尽量采用较小的焊缝尺寸。(2)尽可能减少焊缝数量。
采用压型结构代替肋板结构,对防止薄板结构变形十分有效。(3)合理安排焊缝位置。在设计焊接结构时,使焊缝对称于截面中性轴,或使焊缝接近中性轴,这对于减少梁、柱等类型结构的挠曲变形有良好的效果。
2.2 工艺措施
工艺措施是指在焊接构件生产制造过程中所采用的一系列措施,将其分为焊前预防措施、焊接过程中的控制措施和焊后矫正措施。
2.2.1 焊前预防措施
焊前预防主要包括预防变形、预拉伸法和刚性固定组装法。
反变形法是根据预测的焊接变形大小和方向,在待焊工件装配时造成与焊接残余变形大小相当、方向相反的预变形量(反变形量),焊后焊接残余变形抵消了预变形量,使构件恢复到设计要求的几何形状和尺寸。
预拉伸法多用于薄板平面构件,在薄板有预张力或有预先热膨胀量的情况下焊接。焊后,去除预拉伸或加热,薄板恢复初始状态,可有效地降低焊接残余应力,控制焊接变形。
刚性固定组装法是采用夹具或刚性胎具将被焊构件尽可能地固定,可有效地控制待焊构件的角变形与弯曲变形等。
2.2.2 焊接过程控制措施
焊接过程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接规范参数,选择合理的焊接顺序。选择线能量较低、规范参数防止焊接变形。采用不同的焊接顺序时,可以改变残余应力的分布规律,但对残余应力整体幅值的降低作用不大,同时该方法对于控制焊接变形有较大的作用,尤其在多道焊中,作用更加明显。
2.2.3 焊后矫正措施
结构件在焊接后,只能通过矫正措施来减小或消除已发生的残余变形。焊后矫正措施主要分为加热矫正法和机械矫正法。加热矫正法又分为整体加热和局部加热。
整体热矫正是指将整体构件加热至锻造温度以上再进行矫正的方法,可用以消除较大的形状偏差。但是焊后整体加热容易引起冶金方面的副作用,限制了该方法的进一步推广及应用。
局部热矫正多采用火焰对焊接构件局部加热,在高温处,材料的热膨胀受到构件本身刚性制约,产生局部压缩塑性变形,冷却后收缩,抵消了焊后部位的伸长变形,达到矫正目的,火焰加热法采用一般的气焊焊炬,不需要专门的设备,方法简便灵活,因此在生产上广为应用。
此外,还有利用机械力或冲击能等进行焊接变形矫正,包括静力加压矫直法、焊缝滚压法、锤击法等。
综合分析上述焊接变形的影响因素与减小焊接变形的措施,基本了解焊接变形的原因及变形的种类,针对焊接变形的原因和控制措施从焊接工艺等方面进行改进,有效防止减少焊接变形所带来的危害。
参考文献
[1]徐初雄.《焊接工艺》.机械工业出版社,2004.7.
[2]英若采.《金属熔化焊基础》.机械工业出版社,2005.1.
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