焊接结构件焊接变形的控制

申伟时鑫许文涛

（中车齐齐哈尔车辆有限公司黑龙江齐齐哈尔）

摘要：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。

关键词：焊接结构；焊接变形；分析原因

在钢结构的制作过程中，焊接属于是一种主要的连接方法，但是在具体应用的过程中，由于焊接所产生的变形问题，对于结构的质量也产生了一定程度的影响，如何根据焊接变形的规律性内容防止不良的制作问题，是工作人员面临的重要内容。本文通过对钢结构件制作焊接变形的控制方法进行探究，希望能够起到参考的作用。

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。

2、焊接结构件变形的预防措施和手段

以D22B超大平车4D轴转向架焊接构架为例，来提出本文研究的焊接结构件变形的预防措施和手段主要有以下方面。

2.1完善和改进焊接的结构是其中一方面

如果想要控制和预防焊接结构件的变形,首当其冲就得在设计方面下功夫,前提设计好合理的结构,只有把设计做好了,才能为下面的步骤打好基础。做好设计的具体措施有:选择合理的焊缝形式和大小合适的尺寸;若是遇到不必要的焊缝要尽量减少;为了避免焊缝太集中就必须合理安排焊缝的位置。

2.2刚性固定法的使用

一般说来,刚性大的结构件经过焊接后发生变形的可能都会比较小,而刚性比较小的结构件经过焊接后可能会产生大的变形,那么对待这种容易变形的结构件就得采用专用的夹具、支撑杆、胎具或点固在工作台上来提高它的刚性,以此来减小变形情况的发生,这种方法在实践中比防止角变形和波浪变形更加有效,但必须指出的是,工人在工件焊接后,得等焊接后工件温度下降到室内温度后,才能拿开固件,否则就容易出现事故。再则一方面,拿掉刚性固定前一定得采用锤击敲打的方式来消除部分应力,减小变形。

2.3收缩变形余量的预留

根据焊接收缩理论,得出计算值(箱形梁四周施焊收缩量2mm/m,其他结构依此类推)和经验值(参数的统计时根据同一部件数个产品焊接后或类比以往相似结构来统计参数),收缩余量是在工件下料及加工时预先考虑的问题,这是为了便于达到焊接工件所要求的形状、尺寸等,在焊缝收缩的方向上预先留出收缩量,保证焊接后的构件满足要求的尺寸。

应值得一提的是,如果焊缝的形状在实际生产中达不到规则形状,预留的焊接收缩量就不能用平常的理论公式来计算,而是需要进行多个实际产品的焊接试验来确定焊接的收缩量[3]。

2.4反变形法的使用

理论计算值和经验可以预先估计出结构焊件变形的大小和方向,以保证在焊接装配时能给予一个方向相反大小也相等的人为的变形,焊接的不对称会导致收缩变成角变形,那么就可以在装配时加上一个与变形相反的角度,这样就使得焊接后的变形与反变形相互抵消,那么工件也就满足要求的尺寸。

3如何纠正焊接变形

焊件变形不仅对于工作人员有很大影响,而且对整个工作的进行都会产生不利的反应,而若能将变形纠正过来,将会使得工作得以顺利地进行,纠正焊接变形的方法主要有2种—机械纠正和火焰加热纠正,他们实质上都是使得焊接结构件产生新的变形来抵消焊接变形。

3.1机械纠正方法

给构件施加来自外部的机械力,使得构件产生与原来的焊接变形的方向相反的塑性变形,以便于能够抵消焊接变形,这样的方法叫做机械纠正。而来自外部机械力的施加则可以通过锤击、压力机及碾压等方法来实现,但这种方法只适合刚性较小且不太厚的板结构。

工作人员在使用机械纠正的过程中一定要注意采用校直机进行,因为这种校直方法生产效率较高,但是工作人员必须具有丰富的工作经验,否则就容易导致将构建表面弄出压痕或焊缝区域出现裂纹等。

3.2火焰加热的纠正方法

利用火焰加热时产生的局部压缩塑性变形使得构件较长的部分在冷却过后缩短以抵消变形,这种方法叫火焰加热纠正,不过这种方法一般主要适用于各种低碳钢和大部分的低合金结构钢,却不适用于有晶间腐蚀倾向的不锈钢和淬硬倾向较大的钢,工作人员在进行火焰加热过程中,也可以同时施加机械力,这样可以有效地提高矫正效果,构件的结构特点和焊接变形的实际情况决定了是选择点状加热、线状加热还是三角形加热等方式。

工作人员在操作过程中,应当严格控制火焰的温度,温度较低或较高都无法适度地进行调配和控制,温度较低无法调整尺寸,温度过高又会造成加热区域硬度降低从而导致整体强度下降,因此操作的工作人员必须具有丰富的经验,但是与机械纠正相比,火焰加热纠正的效率较低但适用范围较广。

4结语

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。

参考文献

[1]熊大胜.减少大型焊接结构件变形的措施[J].金属加工(热加工),2010(2):20.

[2]罗满香.焊接变形工艺校正方法的研究[J].科技创新导报,2010(18):44.

[3]彭尚.一种矫正钢模焊接弯曲变形的新工艺[J].铁道建筑技术,2003(4):32.

[4]李文超,尹勇,宋利锋,等.中部槽中板焊接横向收缩量的研究[J].煤矿机械,2011(11):11～12.