结构件焊接变形控制

【摘 要】焊接作为一种工业制造手段,广泛的应用于各行各业.焊接结构不容易受材料本身形状的限制,这是铆接、锻造、铸造、螺栓连接等连接方式无法达到的；焊缝本身拥有几乎达到母材甚至超过母材的强度,焊接的可靠性更是其他连接形式不能比拟的；另外焊接部位密封性好、焊接结构成品率高、焊接配合工序固定等特点更是焊接这种制造手段出类拔萃之处.然而,焊接过程是一个局部不均匀加热的过程,造成的局部应力集中很有可能导致产品在使用过程中焊接部位疲劳、断裂；由于不均匀加热产生的母材塑性变形,会导致产品外观质量不合格,产生不必要的整形工序成本,以及产品加工余量的增加.所以,焊接结构变形的控制是涉及行业比较关注和主要攻关的一个项目.

【关 键 词】结构件；工件；焊接；变形；应力；控制

1.焊接变形的形成及将导致的后果

1.1焊接热过程是一个十分复杂的问题,在实施焊接作业时,焊接工艺选择的合理性与否,可能导致工件整体受热不均匀问题突出,从而造成工件内部应力分布不均匀、工件变形严重,无法正常使用.

（1）焊接热过程的局部性或不均匀性.多数焊接过程都是进行局部加热的,只有在热源直接作用下的区域受到加热,有热量输入,其他区域则存在热量损耗.受热区域金属熔化,形成焊接熔池,这种局部加热正是引起焊接残余应力和焊接变形的根源.

（2）焊接热过程的瞬时性.由于在金属材料中热量的传播速度很快,焊接时必须利用高度集中的热源.这种热源可以在极短的时间内将大量的热量由热源传递给工件,这就造成了焊接热过程的时变性和非稳态特性.

（3）焊接热源的相对运动.由于焊接热源相对于工件的位置不断发生变化,这就造成了焊接热源的不稳定性.

1.2工件在没有外力作用的条件下,存在平衡于物体内部的内应力.在进行焊接作业的工件上,工件受热后会膨胀,冷却后会收缩,温度的变化使工件产生变形,克服这种变形产生了平衡于工件的热应力,这种热应力是由于工件不均匀加热引起的.在沿着焊缝方向上产生残余应力称为纵向应力；在垂直于焊缝方向产生的残余应力称之为横向应力,对进行施焊的工件而言残余应力的存在对焊接工件产生的影响是多方面的,其中不乏负面的影响.

（1）内应力对静载荷的影响.在一般焊接构件中,焊接区的纵向拉伸残余应力峰值较高,对于某些材料来说,可以接近材料的屈服强度.当外载工作应力与其方向一致而相互叠加时,这一区域会发生塑性变形,并因而丧失了继续承受外载的能力,减小了构件的有效承载面积.

（2）内应力对刚度的影响.如果构件中存在与外载荷方向一致的内应力,并且内应力的值为材料的屈服强度,则在外载荷作用下的刚度要降低,并且卸载后构件的变形不能完全恢复.在实际生产中,横向焊缝和火焰校正都有可能在相当大的截面上产生较大的拉应力.

（3）内应力对杆件压稳定性的影响.由于焊接残余应力在构件内部平衡,因此构件截面上同时存在压应力和拉应力,压应力和拉应力分布在不同区域.当构件承受压力外载荷时,外加压力和压缩内应力叠加,将使压应力区内的金属首先达到屈服强度,屈服区内的应力不在增加,则使该区丧失了进一步承受外载荷的能力.

（4）内应力对构件精度和尺寸稳定性的影响.为保证构件的设计技术条件和装配精度,对复杂焊接件在焊后要进行机械加工.机械加工把一部分材料从构件上去除,使截面积相应改变,并释放一部分残余应力,从而破坏原来构件中内应力的平衡.内应力的重新分布引起构件变形,并影响加工精度.焊件在长期存放和使用过程中,其焊接应力会随时间发生变化,因而也会影响构件的尺寸精度.

（5）内应力对应力腐蚀开裂的影响.当材料处于持续的拉应力作用,同时又与材料敏感的腐蚀介质相接触,经过一定时间后,就会开裂,这就是所谓的应力腐蚀.

2.钢结构件焊接变形的控制方法

2.1通过焊接结构设计的合理性控制焊接变形

（1）合理选择基体材料和焊接材料.所选用的金属材料必须同时满足使用性能和加工性能的要求.使用性能即金属的固有属性符合使用要求.

（2）合理设计焊接结构形式.首先要有良好的受力状态,根据强度或刚度的要求,以最理想的受力状态去确定结构的几何形状和尺寸；重视局部构造,防止事故起源于局部构造不合理；最大限度的实现机械化和自动化焊接,采用简单平直的结构形式.

（3）合理设计焊接接头形式.在各种焊接接头中,对接接头应力集中程度最小,是最为理想的接头形式.

（4）合理布置焊接接头位置.焊接接头尽量避开截面突变的位置,至少应采取措施避免产生严重的应力集中.

2.2合理的焊接工艺控制变形量

（1）根据工件的结构特点适当的采用反变形法控制焊接变形.分析焊件焊后可能产生变形的方向和大小,在焊接前应使被焊件做大小相同,方向相反的变形,以抵消或补偿焊后发生的变形,使之达到防止焊后变形的目地.

（2）根据工件焊接环境温度,决定是否采用焊前预热,焊后保温的方法,来控制工件的变形量,防止焊接接头裂纹.焊件是否需要预热以及预热温度是多少,应根据钢材的化学成分、板厚、容器的结构刚性、焊接形式、焊接方法和焊接材料及环境温度等因素综合考虑.

（3）在对工件焊接时,判断每条焊缝所引起构件变形的大小和方向,选出变形最小的装配焊接顺序,这样是各条焊缝引起的变形相互抵消.对于简单结构,尽可能做到整体装配好后进行焊接,对于复杂结构可以适当地分成部件,分别装配焊接,部件经校正满足图纸尺寸要求后,再拼焊成整体.另外通过合理地安排焊接顺序和方向,尽量使每条焊缝能自由收缩.多种焊缝时,先焊收缩量大的焊缝,长焊缝要从中间向两头焊,避免从两头向中间焊.对称的结构,一定要对称施焊.焊缝分布不对称的焊道,要先焊焊缝少的一侧.当焊缝较长时,采用分段焊,并配合合适的焊接方向,以使焊接变形减小或抵消.多层焊能够翻转的焊接结构,要多次翻转施焊.对于不对称的焊接结构,通过调整焊接顺序来控制焊接变形.

结束语

在日常的焊接生产活动中,焊接结构件的焊后变形是多方面因素共同作用的结果,然而,影响结构件变形的主要因素也许就一个或者两个,当焊接环境适宜,焊接规范调整合理的情况下,焊接工艺完善与否往往成为影响结构件焊接变形的唯一主要因素,所以日常生产活动中,大量的实验和总结可以帮助完善焊接工艺,从而尽可能大的控制焊接变形.