刍议焊接变形的控制

2019-08-17 版权声明 举报文章

摘 要:因为焊接的时候瞬时高度集中的热输入会使工件上的变形与应力出现很大的改变,进而使焊接结构当中出现变形与残余应力,严重影响了结构性能以及制造过程。因此掌握变形和焊接应力的影响、作用以及规律,实施有效地措施消除或者控制变形与焊接残余应力,对运行时的安全评定、选择制造工艺方法、焊接结构完整性的设计都非常重要。

关键词:焊接应力;变形控制;制造工艺

1 变形与焊接应力的产生

1.1 产生变形与焊接应力的机理

焊接热输入造成了材料的局部加热不均匀,熔化焊缝区;毗邻熔池的高温区材料发生的热膨胀则因为到附近材料的限制会出现不均匀的压缩塑性变形;冷却的时候,材料已经压缩塑性变形的又因为周围条件的限制而无法自由地进行收缩;另外,金属冷却收缩、熔池凝固的时候也会出现相应的变形和应力,出现不协调的应变,由此产生变形与焊接应力。

1.2 变形与焊接应力的影响因素

1.2.1 结构因素。在影响焊接变形的因素当中最复杂、最关键的一个因素就是焊接结构的设计。它的总体原则为焊接残余应力随着束度的增加而增加,焊接变形则是随着束度的增加而减少。在焊接变形的时候,工件自身的拘束度会不断地发生变化,所以本身应当是变拘束结构,另外外加拘束也会产生相应的影响。通常状况,在焊接时候发挥主导地位的是复杂结构本身的拘束作用,而在焊接的时候,随着结构复杂程度增加结构自身的拘束度变化状况也会相应增加。所以,设计结构的时候应当结合加强筋或者筋板的数量位置以及结构板的厚度等来优化,有助于减少焊接变形的发生。

1.2.2 制造因素。对于焊接变形,焊接工艺的发挥的影响有很多方面,例如焊接夹具与胎架的应用、焊接顺序、构件的固定方法或定位、焊接输入的电压电流量、焊接方法等。在这些工艺因素当中, 对焊接变形影响最为明显的是焊接顺序,通常状况下, 焊接顺序的改变能够使残余应力的应力状态与分布也发生改变,进而使焊接变形减少。另外,焊接工艺参数和多层焊同样对焊接变形起着重要作用。

1.2.3 材料因素。材料对焊接变形发生的影响除了与焊接材料有关以外,与母材的关系也非常紧密, 在产生焊接变形的这一过程当中,材料的力学性能参数以及热物理性能参数都发挥了比较重要的影响。热物理性能参数发挥的影响集中体现于热传导系数上,正常状况下,如果热传导的系数越小,那么温度梯度就会越大,而焊接变形则会越明显。对于焊接变形力学性能所发挥的影响相对来讲就要复杂的多,其中影响最为明显的是热膨胀系数, 焊接变形会随热膨胀系数的增加而增加。

2 控制焊接变形的具体措施

2.1 工艺措施

工艺措施指的是制造生产焊接构件的时候所实施的一系列措施,我们可以把它具体的分成焊后矫正措施、焊中的控制措施以及焊前预防措施。

2.1.1 焊前的预防措施。刚性固定组装法、预拉伸法以及变形预防是主要的焊前预防方法。

所谓的刚性固定组装法指的是用刚性胎具或者夹具尽可能地把被焊构件固定住,这种方法能够控制待焊构件的弯曲变形以及角变形等。

而预拉伸法在薄板平面构件中用的比较多,焊接的时候应当在薄板有预先热膨胀量或者有预张力的状况下面进行。焊接以后,去除加热或者预拉伸, 恢复薄板的初始状态,能够使焊接的残余应力得以有效降低,进而使焊接变形得到控制。预热能够减小温度梯度, 预热温度不同那么对于降低残余应力方面也会产生一定差别。

反变形法也叫做预变性法指的是依照预测焊接变形的方向与大小,在装配待焊工件的时候导致的和焊接残余变形方向相反、大小相当的反变形量(预变形量),焊接以后焊接的残余变形和预变形量相抵消,构件可以恢复到开始设计时候要求的尺寸与几何形状。

2.1.2 焊时的控制措施。焊时控制的方法主要有选择合理的焊接顺序、采用合理的焊接规范参数与焊接方法,采用随焊跟踪激冷、随焊碾压、随焊两侧加热等措施。对焊接规范参数进行合理地控制、选择那些线能量比较低的焊接方法能够对焊接变形进行有效地防止。随焊跟踪激冷、随焊碾压、随焊两侧加热等措施能够减小焊接变形并降低残余应力。随焊激冷法可以减少焊接变形以及降低残余应力。随焊两侧加热能够使最大剪切应变、纵向应变以及横向应变的变化更为平缓,分布更为均匀,减小变形与焊接残余应力。在生产应用中,随焊碾压这种方法因为使用不便、设备复杂等原因会受到一些限制,可是这种方法在焊接变形的提高等方面有着非常良好的效果。

对于变形和焊接残余应力焊接顺序会发挥比较大的影响,焊接顺序不同, 残余应力分布的规律也不相同,可是对于降低残余应力的整体幅值却没有太大的作用,但是这种方法能够有效地控制焊接变形,特别是在多道焊中其作用更为明显。

2.2 设计措施

2.2.1 对焊缝位置要合理安排。进行焊接结构设计的时候,焊缝的安排要尽可能地与截面中性轴对称,或者与中性轴相接近,这能够有效地减少柱、梁等发生的挠曲变形。

2.2.2 减少那些没有必要的焊缝。进行焊接结构设计的时候,对于筋板的形状应当合理选择并对其位置进行适当地安排,力争减少焊缝的数量, 减少那些没有必要的焊缝,进而使焊接变形减小。

2.2.3 焊接的形式与尺寸要合理地选择。焊接的尺寸与焊接变形的大小以及焊接工作量有着直接的关系。如果焊缝的尺寸较大的话, 焊接变形与焊接量也都会很大,所以,在确保结构承载能力的前提下,在设计的时候应当尽量选择尺寸较小的焊缝。十字接头与丁字接头的受力比较大,在确保强度相同时,可以选择开坡口的焊缝,有利于减小变形。

参考文献

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作者简介:常弘(1973.07- ),女,中专,黑龙江省东京城林业机械厂技师,研究方向:电焊。

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