大型結構件的焊接變形控制

大型結構件的焊接變形控制梁曉宇王文爾

（南陽石油機械廠河南南陽市473006）

摘要：大型焊接結構件在當今的工業生產領域中正得到越來越廣泛的應用，而且對其自身的尺寸精度和形位公差提出了更高的要求。本文從焊接變形產生的機理、原因、控制焊接變形所應採取的措施等方面進行了有益的探索，提出了9項措施減少焊接變形，並對焊後如何減少接頭焊接應力、焊接變形矯正等方面提出解決方法。

關鍵詞：焊接變形機理控制措施1焊變形產生的機理

眾所周知，焊接過程是利用電弧熱、物理熱、化學熱等熱能將母材金屬及焊材融化形成焊接熔池，熔池凝固從液相轉變成固相的結晶過程，本質上是乙個冶金過程。焊接凝固和鑄造凝固雖然都經歷結晶成核、，長大的過程。但前者是非平衡凝固，後者是平衡凝固，二者有很大區別。

（1）、焊接熔池體積小，冷卻速度快。其平均冷卻速度高達100c/s，約為鑄造的104倍。所以焊縫金屬中極易形成氣孔、裂紋、夾雜、偏析等缺陷。

（2）熔池中的液態金屬處於過熱狀態，熔池中心與邊緣的液態金屬溫度梯度比鑄造高103-104倍。

（3）熔池在運動狀態下結晶，結晶前沿隨熱源同步移動，結晶主軸逆散熱方向並向熱源中心生長，到焊縫中心區停止生長。此區是雜質易聚集區。（4）、母材融合線上存在大量現成表面，在半融化晶粒上形核後外生長成聯生結晶。

表現出焊接熔池非均質形核的特點。［1］

焊接過程的這些特點使得結構件在焊接過程進行當中，當其區域性受熱時，因受其周圍構件約束不能充分伸展，產生壓應力；當其冷卻時，因焊縫收縮而產生拉應力，使焊件產生彎曲變形。故當焊接過程結束後，焊件內部既存在著壓應力又存在著拉應力，既存在著彈性變形又存在塑性變形，焊縫內部因焊縫收縮產生壓應力，焊縫周邊的母材金屬因受拉而產生拉應力。可以說這些應力和應變的產生是不可避免的。

因此，我們應利用此機理對焊接結構件從結構設計、焊接工藝因素兩個方面控制其對焊接變形的影響。2結構設計方面應注意的問題

1）在結構許可的情況下儘量減少焊縫數量

焊縫數量少，需要輸入的焊接熱能就小，焊接變形就會減小。我廠生產的天車底座其上下平面原來按形狀分別由4-6塊鋼板拼焊而成，焊接變形大且難以矯正，後上下底面改用整板下料至做，減少了十幾道焊縫，焊後整體變形很小，節約了工時和焊材，效果十分顯著。用鋼板焊接的箱體類，若厚度在10mm以下，可先將鋼板彎曲成一定形狀然後再進行焊接，這樣不但可以減少焊縫數量，使焊縫對稱和外形美觀，而且可以提高構件剛度，減少構件變形。

我廠生產的各種油箱、水箱，原來用6塊鋼板在稜邊處焊接，剛性差，焊接變形大，需要焊6道焊縫。後改為前後面摺邊，兩端封板，這樣只需下4塊板，焊4道焊縫即可，且剛性好，焊接變形小。2）理設計焊縫形式及尺寸

對接焊縫的受力狀況好於角焊縫，因此，在可能的情況下優先採用對接焊縫。我們知道，焊縫尺寸越大，須填充的焊接材料就越多，焊接時輸入焊件中的熱量就越大，焊縫收縮時產生的內應力就越大，焊件的焊接變形就越大。因此，在滿足強度要求的前提下應盡量減小焊縫尺寸。

3）焊縫位置應盡量對稱布置

在焊接過程中，焊件因區域性受熱和快速冷卻內部產生壓應力和拉應力而產生應變。當焊縫位置對稱時，焊縫冷卻時產生的應力和應變就可以相互抵消一部分，整體上就可以得到較小的變形。縫位置應盡量布置在構件剛度較大的地方,在其它條件相同的情況下，焊縫所處位置剛度越大，其焊接變形相對要小，對控制焊件的整體變形有利。

4）焊縫位置避免集中和重疊

當焊縫相對集中和重疊時，熱影響區相互影響，不僅使熱影響區的母材金屬因反覆加熱而變得晶粒粗大，機械效能下降，而且使得變形加大，影響焊件尺寸精度。因此，應將焊縫盡量錯開。各條焊縫之間的距離應保持在100mm以上。

3焊接工藝設計應注意的問題1）保證下料尺寸合理準確

下料尺寸準確與否直接關係到構件的尺寸精度，進而直接影響構件的組焊精度。下料尺寸偏短，則焊縫組焊間隙就偏大，所需填充的焊接材料就多，焊件所受的熱量就越多，焊件的焊接變形就相對要大，通常焊件組對間隙要小於3mm。對型材，若為熱切割方式下料，則要求留少許餘量，切割後打磨掉餘量。

2）控制組合胎具尺寸精度

組合胎具的精度是保證焊接件組焊尺寸準確與否的關鍵，若組焊胎具的偏差過大，結構件的組焊尺寸精度的保證就無從談起。對大型結構件，不但要控制其縱橫軸向的尺寸偏差，而且要控制關鍵截面的對角線偏差。通常要求大型組焊件組焊胎具的線性尺寸偏差在千分之二以內。

另外，亦應對組合平台的平面度加以控制，平台的平面度過大，工件壓緊後會產生變形，造成工件組焊後的平面度偏差過大。通常，控制組合平台的平面度在3mm範圍之內。3）選擇合理的焊接方法

焊條電弧焊作為一種常用的焊接方法因其簡單方便，適應性強而在生產中得到廣泛的應用。但缺點是效率低。埋弧自動焊因輸入電流大、熔敷效率高而在長焊縫連續焊接的大型工件中得到較多應用，但它不適應井架、鑽台等較短焊縫的焊接。

co2氣體保護焊因其電流密度大，焊絲熔率高，熱影響區小，焊接變形小，厚板薄板均能焊接、焊接成本低、生產效率高等諸多優點而越來越多的焊接領域中得到推廣應用。目前所需要解決的問題是焊接飛濺大、當co2氣體純度低於99.5％時焊縫中易產生大量的氣孔，這可以通過採取使用高純度co2氣體，配以使用藥芯焊絲、以及使用混合保護氣等措施加以解決。

4）選擇合理的焊接工藝引數和焊接順序

通常，大型結構件焊縫尺寸都較大，需填充的焊接材料多，輸入焊接熱能大，焊件的變形相對要大，且焊縫內部易產生缺陷。因此，對於焊縫尺寸較大的焊接結構件（通常指角焊縫焊高尺寸6mm以上）可採用適當的小直徑焊條（絲）、小電流、大線速度、多層多道焊等焊接工藝來控制焊接變形。但應注意，過小的焊接電流會導致焊不透等缺陷。

定位焊位置要選在剛性大，焊接變形小的地方，以便定位焊能定位準確；在確定焊接順序時，對稱結構要採取兩邊同引數同時施焊,以使焊接熱變形相互抵消一部分，達到減少焊接變形的目的。如我廠生產的自拼車大樑是焊接工字鋼結構，我們採用專用組焊工裝壓緊定位，兩名焊工在兩側從中間用相同的工藝引數同時跳焊。由於焊縫尺寸較大，採用多層多道焊，經過採取以上工藝措施，有效地控制了焊接變形，十幾公尺長的工件其平面度，上下翼板的平行度均控制在圖紙所要求的範圍之內。

5）使用專用焊接工裝

大型焊接結構件由於工件尺寸較大，整體的焊接變形積累值就越大，因此大型焊接件通常都採用專用焊接工裝組焊，工件定位後壓緊焊接，避免了在自由狀態下組焊，工件在工裝內始終處於最佳的焊接位置。可以得到較小的焊接變形。如在我廠系列套裝井架製造過程中，在組焊單片時使用單片組焊專用工裝，在井架大組合時在專用的鑄梁平台上組焊，從而合理的控制了井架的變形問題。

4焊接應力的消除與焊接變形的矯正

焊接變形與焊接殘餘應力密切相關，正是因為焊縫內部存在焊接殘餘應力才導致了焊接變形的產生。若焊縫中存在著較大的殘餘應力，則在使用過程中會產生應力集中現象，嚴重的會導致焊縫產生裂紋，造成工件的損壞，給裝置造成重大的安全隱患。同時隨著工件的使用，焊接殘餘應力不斷釋放，又會產生新的變形。

因此，在工件組焊完以後，通常要進行消除應力處理和調矯變形，使其能夠滿足圖紙要求和使用要求。1）消除焊接應力的方法

目前常用的消除應力方法有：自然時效、振動時效和熱處理去應力，它們各有自身的特點。自然時效簡單易行，無需任何裝置，只需一塊適當的空地就行，幾乎不發生任何費用。

但自然時效週期較長，且不能完全消除殘餘應力，因此對生產周期短，交貨要求急的產品不太適應；振動時效因其裝置簡單、操作簡單、生產周期短（通常不超過30分鐘）、減小應力效果好等諸多優點得到了越來越多的應用。但振動時效只能減小殘餘應力的峰值而不能消除殘壓應力，故振動時效對減少現存變形的效果不大但對防止以後使用中將會產生的變形能起到較好地預防作用。熱處理整體消除焊接應力的效果最好，在適當的溫度下停留適當時間，幾乎可將焊接殘餘應力完全消除。

它對重要的小型重要的焊接件來說是行之有效的；對大型對焊接件，由於受加熱爐尺寸的限制通常不能整體加熱消除應力。在焊件變形處區域性加熱消除焊接應力和應變亦能取得較好效果，但應注意加熱溫度要嚴格按國家有關碳鋼、低合金鋼的標準規定的熱處理溫度進行。實際生產中區域性加熱溫度較難精確控制，通常用測溫計監控工件的實際受熱溫度。

2）焊接變形的矯正

對大型焊接結構件的焊接變形通常採用機械矯正和熱處理矯正兩種方法。用機械矯正法矯正焊接變形是目前生產中廣為採用的一種矯正方法，它是通過對焊件變形施加反方向的機械作用力來達到矯正變形的目的。不需要複雜的裝置，操做起來亦很簡單，效果往往不錯。

缺點是對消除焊接殘餘應力的效果不明顯，在使用過程中隨著殘餘應力的釋放會產生新的變形。熱矯正是在焊件區域性變形處對處於拉伸部分進行區域性加熱，使其冷卻時收縮產生反變形從而達到矯正變形的目的。目前常用的加熱方法有火焰加熱和電加熱兩種。

熱矯正的優點是矯正變形徹底，對任何複雜形狀的工件都能取得很好的效果。缺點是對矯正溫度要求嚴格，實際操作中矯正溫度不易控制。生產中常把上述幾種方法綜合使用，如在機械矯正前先進行振動時效處理，對區域性變形大的地方輔助於熱矯正處理。

1、焊接手冊第1卷：焊接方法及裝置

大型結構件的焊接變形控制

減少大型結構件焊接變形的工藝對策

鋼結構件焊接變形的防治策略

結構件焊接工藝守則

大型結構件的焊接變形控制

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