大型焊接結(jié)構(gòu)件應(yīng)力及變形控制工藝

大型焊接結(jié)構(gòu)件應(yīng)力及變形限制工藝摘要：為有效限制鋼結(jié)構(gòu)因焊件的不勻稱膨脹和收縮而造成的焊接變形，對大型結(jié)構(gòu)件焊接變形的種類和變形緣由，焊接變形和焊接應(yīng)力的各種影響因素進(jìn)行分析，為了有效限制大型焊接結(jié)構(gòu)件的焊接應(yīng)力及變形、提高產(chǎn)品質(zhì)量和合格率，提出了相應(yīng)的限制措施。關(guān)鍵詞：大型結(jié)構(gòu)件；焊接應(yīng)力；焊接變形；限制工藝序言大型結(jié)構(gòu)件在實際生產(chǎn)中是指體積浩大、自身質(zhì)量大、由結(jié)構(gòu)鋼焊接而成的零部件，隨著機(jī)械工業(yè)的

發(fā)展，大型結(jié)構(gòu)件在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。在工程機(jī)械產(chǎn)品中，大型結(jié)構(gòu)件是產(chǎn)品的骨骼．如挖掘機(jī)的

中間架、履帶架、斗桿、伸長臂和鏟斗等都是由大量尺寸與規(guī)格不等的鋼板焊接一起而成的結(jié)構(gòu)件。

大多數(shù)結(jié)構(gòu)件在焊后需經(jīng)機(jī)加工才能運(yùn)用．所以對焊接后的部分尺寸精度和位置精度的要求比較高。

但是由于生產(chǎn)時焊縫比較多，且結(jié)構(gòu)困難、焊接量較大，簡潔發(fā)生扭曲變形，假如變形量不能限制在肯定的范圍內(nèi)，則3組銷軸孔在鏜削加工

時就會因沒有余量而無法加工，造成產(chǎn)品報廢。因而，急需采納合理的方法予以限制。1焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的緣由影響焊接應(yīng)力與變形的因素許多，如焊件受熱不勻稱焊縫金屬的收縮金相組織的改變及焊件剛性與拘束的影響，其最根本緣由是焊件受熱不勻稱。在焊接過程中，對焊件進(jìn)行局部不勻稱加熱，焊后金屬冷卻沿焊縫收縮時，受到焊件低溫部分的阻礙，因

此整個工件縱、橫向尺寸有肯定量縮短。假如在焊接過

程中，焊件能夠較自由的伸縮，則焊后焊件的變形較

大，而焊接應(yīng)力較?。环粗?，假如焊件厚度或剛性較大

不能自由伸縮，則焊后變形較小而焊接應(yīng)力較大。

圓筒形工件環(huán)焊縫焊接以后產(chǎn)生切向焊接應(yīng)力，其

應(yīng)力大小與圓簡直徑D、工件厚度6有關(guān)，直徑越大，

厚度越厚則焊接應(yīng)力也越大。

1.1加熱時引起應(yīng)力與變形的緣由1.1.1勻稱加熱時的應(yīng)力與變形

受約束的桿件，假如加熱溫度較低，材料的變形在彈性范圍內(nèi)，則在加熱過程中桿件的變形全部為彈性變形，桿件存在壓應(yīng)力的作用。受約束桿件的變形屬于非自由變形，既存在外觀變形，也存在內(nèi)部變形。依據(jù)虎克定律，應(yīng)力與應(yīng)變符合線性關(guān)系，當(dāng)溫度復(fù)原到原始溫度時，桿件自由收縮到原來的長度，壓應(yīng)力全部消逝，即不存在殘余應(yīng)力與殘余變形。假如加熱溫度比較高，達(dá)到或超過材料屈服點溫度時，桿件的壓縮變形量增大，產(chǎn)生塑性變形，此時的內(nèi)部變形率由彈性變形率和塑性變形率兩部分組成。當(dāng)溫度復(fù)原到原始溫度時，彈性變形部分復(fù)原，塑性變形部分不能復(fù)原。1.1.2不受約束的桿件勻稱加熱.屬于自由變形，無殘余應(yīng)力，無殘余變形。1.2

不勻稱加熱時引起的應(yīng)力與變形主要有長板條中心加熱引起的應(yīng)力與變形和長板條一側(cè)加熱引起的應(yīng)力與變形1.3

工藝制定不合理引起的應(yīng)力與變形焊接工藝的制定是焊接件特殊是大型結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)的重點和難點，它不僅影響著產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，更重要的是干脆影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。焊接工藝中的許多環(huán)節(jié)都對焊接變形有著至關(guān)重要的影響．如焊接設(shè)備的選擇、焊接參數(shù)的選定、焊

接依次的制定、工裝夾具的選用等，在制定焊接工藝

時都須要細(xì)致、細(xì)致考慮，所以說制定一個好的焊接

工藝不僅須要豐富的理論學(xué)問，還須要豐富的焊接生產(chǎn)閱歷。

1.4

結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理引起的應(yīng)力與變形結(jié)構(gòu)件的設(shè)計不合理是焊接件焊接變形的一個主要緣由，焊接時易出現(xiàn)不勻稱膨脹，焊縫冷卻時呈現(xiàn)不勻稱收縮．從而產(chǎn)生困難的焊接應(yīng)力和焊接變形。結(jié)構(gòu)設(shè)計中焊縫數(shù)量多、焊縫截面大、焊縫位置不對稱都會使焊接變形加大。

2.焊接應(yīng)力與變形的限制措施

削減焊接應(yīng)力與變形的措施，應(yīng)按焊接結(jié)構(gòu)的詳細(xì)

狀況來確定。例如，焊接厚度較大的鋼板或補(bǔ)焊剛性較

大的鑄件缺陷時，焊件不宜變形而是產(chǎn)生較大應(yīng)力，此

時就要設(shè)法減小或消退焊接應(yīng)力，以防止裂縫的產(chǎn)生；

當(dāng)焊接厚度不大的低碳鋼板時，焊件易變形而焊接應(yīng)力

較小，此時則須要實行預(yù)防變形的措施，使構(gòu)件獲得所

須要的形態(tài)和尺寸。2.1

焊接應(yīng)力的限制措施

構(gòu)件焊接時產(chǎn)生瞬時內(nèi)應(yīng)力，焊接后產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并同時產(chǎn)生殘余變形，這是不行避開的現(xiàn)象。焊接變形的矯正費(fèi)時費(fèi)工，構(gòu)件制造和安裝企業(yè)首先考慮的是限制變形，往往對限制殘余應(yīng)力較為忽視，常用一些卡具、支撐以增加剛性來限制變形，與此同時事實上增大了焊后的殘余應(yīng)力。對于一些本身剛性較大的構(gòu)件，如板厚較大，截面本身的慣性矩較大時，雖然變形會較小，但卻同時產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，甚至產(chǎn)生裂紋。因此，對于一些構(gòu)件截面厚大，焊接節(jié)點困難，拘束度大，鋼材強(qiáng)度級別高，運(yùn)用條件惡劣的重要結(jié)構(gòu)要留意焊接應(yīng)力的限制。限制應(yīng)力的目標(biāo)是降低其峰值使其勻稱分布，其限制措施有以下幾種：

減小焊縫尺寸焊接內(nèi)應(yīng)力由局部加熱循環(huán)而引起，為此，在滿意設(shè)計要求的條件下，不應(yīng)加大焊縫尺寸和層高，要轉(zhuǎn)變焊縫越大越平安的觀念。

減小焊接拘束度拘束度越大，焊接應(yīng)力越大，首先應(yīng)盡量使焊縫在較小拘束度下焊接，盡可能不用剛性固定的方法限制變形，以免增大焊接拘束度。

實行合理的焊接依次在焊縫較多的組裝條件下，應(yīng)依據(jù)構(gòu)件形態(tài)和焊縫的布置，實行先焊收縮量較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫；先焊拘束度較大而不能自由收縮的焊縫，后焊拘束度較小而能自由收縮的焊縫的原則。

降低焊件剛度，創(chuàng)建自由收縮的條件。

錘擊法減小焊接殘余應(yīng)力在每層焊道焊完后馬上用圓頭敲渣小錘或電動錘擊工具勻稱敲擊焊縫金屬，使其產(chǎn)生塑性延長變形，并抵消焊縫冷卻后承受的局部拉應(yīng)力。

但根部焊道、坡口內(nèi)及蓋面層與母材坡口面相鄰的兩側(cè)焊道不宜錘擊，以免出現(xiàn)熔合線和近縫區(qū)的硬化或裂紋。高強(qiáng)度低合金鋼，如屈服強(qiáng)度級別大于345MPa時，也不宜用錘擊法去除焊接殘余應(yīng)力。2.1.6采納拋丸機(jī)除銹通過鋼丸勻稱敲打來抵消構(gòu)件的焊接應(yīng)力。2.2

焊接變形的限制措施在實際生產(chǎn)中，大型結(jié)構(gòu)件特殊是工程機(jī)械中的大型結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和焊縫布置要比教科書和一些相關(guān)技術(shù)資料上所敘述的困難得多。不同的焊接件由于外形、焊縫數(shù)量、布置及尺寸不一樣，焊接變形的變形方式和變形量也不一樣，實行的焊接變形限制措施也各不相同。但是總的來說，對于大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形限制方法來說。除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要遵循焊縫數(shù)量盡量少、焊縫截面盡量小、焊縫位置要對稱的三原則外，大多采納工藝參數(shù)法、工裝模具法、反變形法或者3種方法的綜合運(yùn)用來有效地限制大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形。全面分析各因素對焊接變形的影響，駕馭其影響規(guī)律，即可實行合理的限制措施。

焊縫截面積的影響

焊縫截面積是指熔合線范圍內(nèi)的金屬面積。焊縫面積越大，冷卻時收縮引起的塑性變形量越大，焊縫面積對縱向、橫向及角變形的影響趨勢是一樣的，而且是起主要的影響，因此，在板厚相同時，坡口尺寸越大，收縮變形越大。

焊接熱輸入的影響

一般狀況下，熱輸入大時，加熱的高溫區(qū)范圍大，冷卻速度慢，使接頭塑性變形區(qū)增大。

焊接方法的影響

多種焊接方法的熱輸入差別較大，在建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接常用的幾種焊接方法中，除電渣以外，埋弧焊熱輸入最大，在其他條件如焊縫斷面積等相同狀況下，收縮變形最大，手工電弧焊居中，CO2氣體愛護(hù)焊最小。

接頭形式的影響

在焊接熱輸入、焊縫截面積、焊接方面等因素條件相同時，不同的接頭形式對縱向、橫向、角變形量有不同的影響。常用的焊縫形式有堆焊、角焊、對接焊。

1)表面堆焊時，焊縫金屬的橫向變形不但受到縱橫向母材的約束，而且加熱只限于工件表面肯定深度而使焊縫的收縮同時受到板厚、深度、母材方面的約束，因此，變形相對較小。

2)T形角接接頭和搭接接頭時，其焊縫橫向收縮狀況與堆焊相像，其橫向收縮值與角焊縫面積成正比，與板厚成反比。

3)對接接頭在單道(層)焊的狀況下，其焊縫橫向收縮比堆焊和角焊大，在單面焊時坡口角度大，板厚上、下收縮量差別大，因而角變形較大。

雙面焊時狀況有所不同，隨著坡口角度和間隙的減小，橫向收縮減小，同時角變形也減小。

焊接層數(shù)的影響

1)橫向收縮：在對接接頭多層焊接時，第一層焊縫的橫向收縮符合對接焊的一般條件和變形規(guī)律，第一層以后相當(dāng)于無間隙對接焊，接近于蓋面焊道時與堆焊的條件和變形規(guī)律相像，因此，收縮變形相對較小。

2)縱向收縮：多層焊接時，每層焊縫的熱輸入比一次完成的單層焊時的熱輸入小得多，加熱范圍窄，冷卻快，產(chǎn)生的收縮變形小得多，而且前層焊縫焊成后都對下層焊縫形成約束，因此，多層焊時的縱向收縮變形比單層焊時小得多，而且焊的層數(shù)越多，縱向變形越小。在工程焊接實踐中，由于各種條件因素的綜合作用，焊接殘余變形的規(guī)律比較困難，了解各因素單獨(dú)作用的影響便于對工程詳細(xì)狀況做詳細(xì)的綜合分析。所以，了解焊接變形產(chǎn)生的緣由和影響因素，則可以實行以下限制變形的措施：1)減小焊縫截面積，在得到完整、無超標(biāo)缺陷焊縫的前提下，盡可能采納較小的坡口尺寸(角度和間隙)。

2)對屈服強(qiáng)度345MPA以下，淬硬性不強(qiáng)的鋼材采納較小的熱輸入，盡可能不預(yù)熱或適當(dāng)降低預(yù)熱、層間溫度；優(yōu)先采納熱輸入較小的焊接方法，如CO2氣體愛護(hù)焊。

3)厚板焊接盡可能采納多層焊代替單層焊。

4)在滿意設(shè)計要求狀況下，縱向加強(qiáng)肋和橫向加強(qiáng)肋的焊接可采納間斷焊接法。

5)雙面均可焊接操作時，要采納雙面對稱坡口，并在多層焊時采納與構(gòu)件中和軸對稱的焊接依次。

6)T形接頭板厚較大時采納開坡口角對接焊縫。

7)采納焊前反變形方法限制焊后的角變形。

8)采納剛性夾具固定法限制焊后變形。

9)采納構(gòu)件預(yù)留長度法補(bǔ)償焊縫縱向收縮變形，如H形縱向焊縫每米長可預(yù)留0.5ｍｍ～0.7ｍｍ。

10)對于長構(gòu)件的扭曲，主要靠提高板材平整度和構(gòu)件組裝精度，使坡口角度和間隙精確，電弧的指向或?qū)χ芯_，以使焊縫角度變形和翼板及腹板縱向變形值與構(gòu)件長度方向一樣。

11)在焊縫眾多的構(gòu)件組焊時或結(jié)構(gòu)安裝時，要實行合理的焊接依次。

12)設(shè)計上要盡量削減焊縫的數(shù)量和尺寸，合理布置焊縫，除了要避開焊縫密集以外，還應(yīng)使焊縫位置盡可能靠近構(gòu)件的中和軸，并使焊縫的布置與構(gòu)件中和軸相對稱。2.3削減大型結(jié)構(gòu)件焊接變形的工藝對策大型結(jié)構(gòu)件是工程機(jī)械產(chǎn)品的骨骼，也是廠家設(shè)計水平的體現(xiàn)和制造水平的反映。由于結(jié)構(gòu)件在承載實力、外觀造型及實現(xiàn)產(chǎn)品功能上的重要作用，在工程機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計和制造中應(yīng)特殊予以重視。大型結(jié)構(gòu)件因為體形浩大，焊接部位多，部分尺寸精度和位置精度要求較高，支承起來難度較大，尤其是整體變形問題，始終是困擾工藝人員的一大難題。本文主要結(jié)合中外建發(fā)展股份有限公司生產(chǎn)的平地機(jī)、裝載機(jī)典型結(jié)構(gòu)件的工藝實際，對大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形態(tài)況和緣由進(jìn)行了分析，并提出了一些限制變形的工藝對策。2.3.1大型結(jié)構(gòu)件變形的典型實例及危害a:ＰＹ１６０Ｃ型平地機(jī)后機(jī)架的變形后機(jī)架是PY160C型平地機(jī)最大的結(jié)構(gòu)件（見圖1），該件外形尺寸為3300mm×1100mm×800mm，由72個零件組成，屬于框架特征的大型結(jié)構(gòu)件，其制造方式為多個零件上胎合攏、拼點，然后焊接而成。該件在整機(jī)裝配時需與發(fā)動機(jī)、變速器、司機(jī)室、驅(qū)動橋等部件相連接，其工藝要求為：基礎(chǔ)面平面度≤3mm，扭曲度≤5mm，垂直度≤2.5mm。按傳統(tǒng)方式焊接后，一般狀況下變形為：扭曲度10～30mm，平面度5～8mm，垂直度5～10mm，橫向孔組的中心距超差，如后橋安裝距720mm±0.5mm，焊后變?yōu)?20mm2mm。雖在焊后經(jīng)過整形工序，但變形量相對裝配要求仍舊偏大，造成該件返修率較大，以致后來采納“配焊”、“墊板調(diào)整”等落后工藝進(jìn)行調(diào)整。b:ＺＬ５０Ｃ型裝載機(jī)動臂的變形該件為H形大型結(jié)構(gòu)件（見圖2），外形尺寸為2800mm×1200mm×800mm，制造方式為支座組件與兩動臂板合攏后進(jìn)行大截面角縫焊接。其焊接方式為３層６道焊縫連續(xù)焊接。該件是裝載機(jī)作業(yè)時鏟斗運(yùn)動的關(guān)鍵支撐件，其工藝規(guī)程要求尺寸ａ與ｂ相對中心線的對稱度為1.5mm；A、B、C、D各組孔的中心線平行度為Φ1.0mm；各組孔同軸度為Φ0.5mm。按上述方式焊接后主要變形為支座出現(xiàn)旁彎，通常引起尺寸ｂ偏小8～15mm，尺寸ａ與ｂ對稱度超差1.5～2mm，尺寸ａ與ｂ各自的中心線不平行，兩中心線出現(xiàn)２°～３°的夾角，造成動臂變形，長時間作業(yè)時整機(jī)會出現(xiàn)鏟斗失穩(wěn)現(xiàn)象。2.3.2結(jié)構(gòu)件變形的理論分析工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件主要是由冷、熱軋鋼板、型鋼及它們的成形件裝焊而成，材質(zhì)主要為低合金結(jié)構(gòu)鋼。從結(jié)構(gòu)件制造工藝來看，造成大型結(jié)構(gòu)件變形的緣由，主要來自三個方面：即焊接熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力和外力。a:焊接熱應(yīng)力變形工件在焊接過程中，對金屬材料是一種不勻稱的加熱和冷卻。焊接時，加熱的熱源是移動的高溫電弧，焊縫和熱影響區(qū)金屬溫度很高，金屬受熱膨脹，但又受到常溫金屬的阻礙和抑制，便產(chǎn)生了壓縮塑性變形。結(jié)構(gòu)件的焊接變形程度與施焊時熱源的輸入能量成正比。b:殘余應(yīng)力變形殘余應(yīng)力主要為焊接殘余應(yīng)力和成形加工殘余應(yīng)力，當(dāng)工件某一部位施焊結(jié)束后，其焊縫金屬由膨脹轉(zhuǎn)為收縮，但其又受到常溫金屬的限制，這時便產(chǎn)生了焊接殘余應(yīng)力。成形加工殘余應(yīng)力主要是因為工件受工藝性外力而引起，如工件自由彎曲成形時不得法；鋼板校平輾壓次數(shù)少；機(jī)加工吃刀量過大等等都能引起成形加工殘余應(yīng)力。c:外力引起的變形主要指組裝、焊接過程中由磕、碰、摔、撞或過載引起的異樣變形。結(jié)合對引起變形應(yīng)力的理論分析，可知前述PY160C型平地機(jī)的后機(jī)架變形是上百條焊縫的焊接綜合變形。ZL50C型裝載機(jī)動臂變形則是典型的大熱場焊縫產(chǎn)生的焊接熱應(yīng)力變形，該件的動臂板厚度為50mm，由于在施焊時焊接熱影響區(qū)的溫度可達(dá)85０℃，隨著加熱部位金屬發(fā)生相變，便產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，它殘存在母材中，不但引起構(gòu)件變形還將影響構(gòu)件的運(yùn)用性能和質(zhì)量。2.3.3克服結(jié)構(gòu)件變形的工藝措施a:平地機(jī)后機(jī)架的變形訂正傳統(tǒng)方法采納火焰加外力來解決PY160C型平地機(jī)后機(jī)架的扭曲變形。把該件平放在工作平臺上，將其兩個角或三個角墊起，并使其與工作臺緊固，用火焰加熱應(yīng)力集中區(qū)域，再用機(jī)械方法拉動懸空的角，以達(dá)到矯正扭曲的目的。但是當(dāng)我們在矯正其它次要變形時，扭曲變形又重新出現(xiàn)。這種反復(fù)矯正的方法，不但耗費(fèi)了大量的人力、物力而且仍會使工件產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力，留下了產(chǎn)品后期變形的潛在危急。通過不斷的實踐探究，我們對后機(jī)架的工藝進(jìn)行了重新審定，實施了一套“先部件，后總成”的治本之路，即將整個后機(jī)架分為軸承座、左梁、右梁三個部件，每個部件下又分若干次部件，再下一層是零件，裝焊并整形的次序是：零件→次部件→部件→后機(jī)架總成。這種方法事實上是把后機(jī)架一次焊接所承受的全部熱量與變形，分散到前序逐級減弱，并分部件進(jìn)行矯正變形，以削減總裝后的變形。按此種工藝制作的后機(jī)架變形很小，由于我們根除了最嚴(yán)峻的扭曲變形，使該件整形時特別輕松地達(dá)到了圖紙要求。b:克服裝載機(jī)動臂總成的變形我們從三方面實行措施來克服動臂的焊接變形：首先是實行增加約束的方法來限制動臂的變形，即在距支座200mm處設(shè)置兩個可調(diào)支桿，從兩邊頂住兩動臂板，以限制動臂板焊接時往里變形；其次是削減焊接線能量，對于截面積為200mm2的焊縫實行4層12遍交替焊接的工藝，如圖3所示，圖中序號為施焊次序。采納手工CO2氣愛護(hù)電弧焊，這一措施對削減動臂的變形收到較好的效果；第三，實行經(jīng)濟(jì)、簡便的火焰矯正法。其操作方法是：用氣焊焊槍加熱，采納碳化焰，在與支座和動臂板的焊縫相對應(yīng)的動臂板外側(cè)，自上而下呈線狀逐步加熱，加熱速度為3～5mm/min，加熱溫度為750～800℃，冷卻時用清水自下而上進(jìn)行，當(dāng)尺寸ｂ的變形量大于10mm時，加熱寬度為10～20mm，加熱深度為15～20mm；當(dāng)變形量小于10mm時，加熱寬度為10～15mm，加熱深度為10～15mm。采納以上方法，動臂形位公差與尺寸均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。2.3.4削減大型結(jié)構(gòu)件變形的工藝對策工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件要比一般教科書或技術(shù)資料中