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1、大型焊接结构件应力及变形控制工艺摘要：为有效控制钢结构因焊件的不均匀膨胀和收缩而造成的焊接变形，对大型结构件焊接变形的种类和变形原因 ，焊接变形和焊接应力的各种影响因素进行分析，为了有效控制大型焊接结构件的焊接应力及变形、提高产品质量和合格率，提出了相应的控制措施。关键词：大型结构件；焊接应力；焊接变形；控制工艺序 言大型结构件在实际生产中是指体积庞大、自身质量大、由结构钢焊接而成的零部件，随着机械工业的发展，大型结构件在工业生产中被广泛应用。在工程机械产品中，大型结构件是产品的骨骼如挖掘机的中间架、履带架、斗杆、伸长臂和铲斗等都是由大量尺寸与规格不等的钢板焊接一起而成的结构件。大多数结构件在
2、焊后需经机加工才能使用所以对焊接后的部分尺寸精度和位置精度的要求比较高。但是由于生产时焊缝比较多，且结构复杂、焊接量较大，容易发生扭曲变形，如果变形量不能控制在一定的范围内，则3组销轴孔在镗削加工时就会因没有余量而无法加工，造成产品报废。因而，急需采用合理的方法予以控制。1 焊接应力与变形产生的原因影响焊接应力与变形的因素很多，如焊件受热不均匀 焊缝金属的收缩 金相组织的变化及焊件刚性与拘束的影响，其最根本原因是焊件受热不均匀。在焊接过程中，对焊件进行局部不均匀加热，焊后金属冷却沿焊缝收缩时，受到焊件低温部分的阻碍，因此整个工件纵、横向尺寸有一定量缩短。如果在焊接过程中，焊件能够较自由的伸缩，
3、则焊后焊件的变形较大，而焊接应力较小；反之，如果焊件厚度或刚性较大不能自由伸缩，则焊后变形较小而焊接应力较大。圆筒形工件环焊缝焊接以后产生切向焊接应力，其应力大小与圆简直径D、工件厚度6有关，直径越大，厚度越厚则焊接应力也越大。1.1 加热时引起应力与变形的原因 1.1.1 均匀加热时的应力与变形受约束的杆件，如果加热温度较低，材料的变形在弹性范围内，则在加热过程中杆件的变形全部为弹性变形，杆件存在压应力的作用。受约束杆件的变形属于非自由变形，既存在外观变形，也存在内部变形。根据虎克定律，应力与应变符合线性关系，当温度恢复到原始温度时，杆件自由收缩到原来的长度，压应力全部消失，即不存在残余应力
4、与残余变形。如果加热温度比较高，达到或超过材料屈服点温度时，杆件的压缩变形量增大，产生塑性变形，此时的内部变形率由弹性变形率和塑性变形率两部分组成。当温度恢复到原始温度时，弹性变形部分恢复，塑性变形部分不能恢复。1.1.2 不受约束的杆件均匀加热.属于自由变形，无残余应力，无残余变形。1.2 不均匀加热时引起的应力与变形 主要有长板条中心加热引起的应力与变形和长板条一侧加热引起的应力与变形1.3 工艺制定不合理引起的应力与变形焊接工艺的制定是焊接件特别是大型结构件生产的重点和难点，它不仅影响着产品的生产效率，更重要的是直接影响着产品的质量。焊接工艺中的很多环节都对焊接变形有着至关重要的影响如焊
5、接设备的选择、焊接参数的选定、焊接顺序的制定、工装夹具的选用等，在制定焊接工艺时都需要认真、仔细考虑，所以说制定一个好的焊接工艺不仅需要丰富的理论知识，还需要丰富的焊接生产经验。1.4 结构设计不合理引起的应力与变形结构件的设计不合理是焊接件焊接变形的一个主要原因，焊接时易出现不均匀膨胀，焊缝冷却时呈现不均匀收缩从而产生复杂的焊接应力和焊接变形。结构设计中焊缝数量多、焊缝截面大、焊缝位置不对称都会使焊接变形加大。2. 焊接应力与变形的控制措施 减少焊接应力与变形的措施，应按焊接结构的具体情况来决定。例如，焊接厚度较大的钢板或补焊刚性较大的铸件缺陷时，焊件不宜变形而是产生较大应力，此时就要设法减
6、小或消除焊接应力，以防止裂缝的产生；当焊接厚度不大的低碳钢板时，焊件易变形而焊接应力较小，此时则需要采取预防变形的措施，使构件获得所需要的形状和尺寸。2.1 焊接应力的控制措施 构件焊接时产生瞬时内应力，焊接后产生残余应力，并同时产生残余变形，这是不可避免的现象。焊接变形的矫正费时费工，构件制造和安装企业首先考虑的是控制变形，往往对控制残余应力较为忽视，常用一些卡具、支撑以增加刚性来控制变形，与此同时实际上增大了焊后的残余应力。对于一些本身刚性较大的构件，如板厚较大，截面本身的惯性矩较大时，虽然变形会较小，但却同时产生较大的内应力，甚至产生裂纹。因此，对于一些构件截面厚大，焊接节点复杂，拘束度
7、大，钢材强度级别高，使用条件恶劣的重要结构要注意焊接应力的控制。控制应力的目标是降低其峰值使其均匀分布，其控制措施有以下几种：2.1.1 减小焊缝尺寸焊接内应力由局部加热循环而引起，为此，在满足设计要求的条件下，不应加大焊缝尺寸和层高，要转变焊缝越大越安全的观念。2.1.2 减小焊接拘束度拘束度越大，焊接应力越大，首先应尽量使焊缝在较小拘束度下焊接，尽可能不用刚性固定的方法控制变形，以免增大焊接拘束度。2.1.3 采取合理的焊接顺序在焊缝较多的组装条件下，应根据构件形状和焊缝的布置，采取先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的
8、焊缝的原则。2.1.4 降低焊件刚度，创造自由收缩的条件。2.1.5 锤击法减小焊接残余应力在每层焊道焊完后立即用圆头敲渣小锤或电动锤击工具均匀敲击焊缝金属，使其产生塑性延伸变形，并抵消焊缝冷却后承受的局部拉应力。 但根部焊道、坡口内及盖面层与母材坡口面相邻的两侧焊道不宜锤击，以免出现熔合线和近缝区的硬化或裂纹。高强度低合金钢，如屈服强度级别大于345MPa时，也不宜用锤击法去除焊接残余应力。2.1.6采用抛丸机除锈通过钢丸均匀敲打来抵消构件的焊接应力。2.2 焊接变形的控制措施 在实际生产中，大型结构件特别是工程机械中的大型结构件的结构和焊缝布置要比教科书和一些相关技术资料上所叙述的复杂得多
9、。不同的焊接件由于外 形、焊缝数量、布置及尺寸不一样，焊接变形的变形方式和变形量也不一样，采取的焊接变形控制措施也 各不相同。但是总的来说，对于大型结构件的焊接变形控制方法来说。除了在结构设计上要遵循焊缝数量尽量少、焊缝截面尽量小、焊缝位置要对称的三原则 外，大多采用工艺参数法、工装模具法、反变形法或 者3种方法的综合运用来有效地控制大型结构件的焊接变形。 全面分析各因素对焊接变形的影响，掌握其影响规律，即可采取合理的控制措施。2.2.1 焊缝截面积的影响 焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的，而且是
10、起主要的影响，因此，在板厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。2.2.2 焊接热输入的影响 一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大。2.2.3 焊接方法的影响 多种焊接方法的热输入差别较大，在建筑钢结构焊接常用的几种焊接方法中，除电渣以外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝断面积等相同情况下，收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。2.2.4 接头形式的影响 在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方面等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。 1)表面堆焊时，焊缝金属的横向变形不但受到纵横向
11、母材的约束，而且加热只限于工件表面一定深度而使焊缝的收缩同时受到板厚、深度、母材方面的约束，因此，变形相对较小。 2)T形角接接头和搭接接头时，其焊缝横向收缩情况与堆焊相似，其横向收缩值与角焊缝面积成正比，与板厚成反比。 3)对接接头在单道(层)焊的情况下，其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大，在单面焊时坡口角度大，板厚上、下收缩量差别大，因而角变形较大。 双面焊时情况有所不同，随着坡口角度和间隙的减小，横向收缩减小，同时角变形也减小。2.2.5 焊接层数的影响 1)横向收缩：在对接接头多层焊接时，第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律，第一层以后相当于无间隙对接焊，接近于盖面焊道时与堆焊
12、的条件和变形规律相似，因此，收缩变形相对较小。 2)纵向收缩：多层焊接时，每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入小得多，加热范围窄，冷却快，产生的收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束，因此，多层焊时的纵向收缩变形比单层焊时小得多，而且焊的层数越多，纵向变形越小。在工程焊接实践中，由于各种条件因素的综合作用，焊接残余变形的规律比较复杂，了解各因素单独作用的影响便于对工程具体情况做具体的综合分析。所以，了解焊接变形产生的原因和影响因素，则可以采取以下控制变形的措施：1)减小焊缝截面积，在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下，尽可能采用较小的坡口尺寸(角度和间隙)。 2)对屈服强
13、度345MPA以下，淬硬性不强的钢材采用较小的热输入，尽可能不预热或适当降低预热、层间温度；优先采用热输入较小的焊接方法，如CO2气体保护焊。 3)厚板焊接尽可能采用多层焊代替单层焊。 4)在满足设计要求情况下，纵向加强肋和横向加强肋的焊接可采用间断焊接法。 5)双面均可焊接操作时，要采用双面对称坡口，并在多层焊时采用与构件中和轴对称的焊接顺序。 6)T形接头板厚较大时采用开坡口角对接焊缝。 7)采用焊前反变形方法控制焊后的角变形。 8)采用刚性夹具固定法控制焊后变形。 9)采用构件预留长度法补偿焊缝纵向收缩变形，如H形纵向焊缝每米长可预留0.50.7。 10)对于长构件的扭曲，主要靠提高板材
14、平整度和构件组装精度，使坡口角度和间隙准确，电弧的指向或对中准确，以使焊缝角度变形和翼板及腹板纵向变形值与构件长度方向一致。 11)在焊缝众多的构件组焊时或结构安装时，要采取合理的焊接顺序。 12)设计上要尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理布置焊缝，除了要避免焊缝密集以外，还应使焊缝位置尽可能靠近构件的中和轴，并使焊缝的布置与构件中和轴相对称。2.3 减少大型结构件焊接变形的工艺对策 大型结构件是工程机械产品的骨骼，也是厂家设计水平的体现和制造水平的反映。由于结构件在承载能力、外观造型及实现产品功能上的重要作用，在工程机械产品的设计和制造中应特别予以重视。大型结构件因为体形庞大，焊接部位多，部分尺
15、寸精度和位置精度要求较高，支承起来难度较大，尤其是整体变形问题，一直是困扰工艺人员的一大难题。本文主要结合中外建发展股份有限公司生产的平地机、装载机典型结构件的工艺实际，对大型结构件的焊接变形情况和原因进行了分析，并提出了一些控制变形的工艺对策。2.3.1 大型结构件变形的典型实例及危害a: 型平地机后机架的变形后机架是PY160C型平地机最大的结构件（见图1），该件外形尺寸为3 300 mm1 100 mm800 mm，由72个零件组成，属于框架特征的大型结构件，其制造方式为多个零件上胎合拢、拼点，然后焊接而成。该件在整机装配时需与发动机、变速器、司机室、驱动桥等部件相连接，其工艺要求为：基础面平面度3 mm，扭曲度5 mm，垂直度2.5 mm。按传统方式焊接后，一般情况下变形为：扭曲度1030 mm，平面度58 mm，垂直度510 mm，横向孔组的中心距超差，如后桥安装距720 mm0.5 mm，焊后变为720 mm 2 mm。虽在焊后经过整形工序，但变形量相对装配要求仍然偏大，造成该件返修率较大，以致后来采用“配焊”、“垫板调整”等落后工艺进行调整。b:
