L形梁焊接变形分析及控制

摘要： 通过分析焊接过程中焊缝位于直角部位且无任何拘束的L形梁时产生变形的趋势，确定影响焊接变形的各个因素，通过焊缝坡口设计，焊接夹具设计、夹持方法，焊接方法，焊接参数，焊接层道分布以及焊接层道顺序等因素的控制，使L形梁的焊接变形控制在设计要求范围内，实现L形梁体构件的大批量生产。

关键词： L形梁；焊接变形；控制

中图分类号： TG404

Abstract：The impact of various factors of welding deformation were determined by analyzing the deformation trend of welding seam locating at right angles to the site without any binding of L-shaped beam.By controlling the weld groove design， welding fixture design， holding method， welding method， welding specifications， welding layer and the welding layer channel distribution channel order and other factors to limited the L-shaped beam welding deformation in the range of design requirements.

Key words： L-shaped beam； welding deformation； control

0 前言

出口澳大利亚铁路罐车采用全焊接牵引梁结构，其中最主要的受力焊缝为牵引梁腹板和下盖板的焊接，此构件形状酷似L，故称L形梁。焊缝位于L形梁的直角位置，且焊缝长度2 400 mm，该焊缝为对接焊缝和角焊缝的组合焊缝形式。由于该工件平面度要求在1 mm，垂直度公差要求在2.5 mm，且Q450NQR1材料不能火焰加热矫正，如何控制焊接变形，成为该构件焊接的最关键的难题。

1 焊接变形分析

焊接时不均匀的加热是焊接变形的最主要的原因[1]，焊接过程中极易出现挠曲变形、扭曲变形和角变形。要防止焊接变形，必须从引起焊接变形的各个因素入手分析。

由于焊接过程中不均匀的加热，引起温度场的变化，横向变形沿焊缝长度上的分布并不均匀。这是因为先凝固的焊缝横向收缩对凝固的焊缝产生一个挤压作用，使后者产生更大的横向压缩变形。当焊缝在构件中的位置不对称时，焊缝引起的应力就是不均匀的，这样它不但使构件缩短，同时还使构件弯曲，产生挠曲变形。

由于焊缝位于构件的直角部位，且焊缝在直角内侧设置有角焊缝，这种横向收缩变形在厚度方向上的不均匀分布导致塑性变形量在厚度上不一致，或者熔化金属在厚度方向上的不一致，这种变形就是角变形。腹板和下翼板的垂直度保证显得尤为困难。

2 焊接变形控制措施

针对上述变形趋势，需要从焊缝的坡口形式、焊接夹具、焊接方法、焊接规范、焊接顺序等方面进行控制。

2.1 合理的坡口形式

焊缝两侧焊接热输出的不均衡，对焊接变形影响很大。为了使焊缝两侧的线能量处于基本平衡，就要考虑焊缝两侧填充面积基本相等，而且要焊接热输入处于最低的状态。基于以上考虑，设置如图1所示的坡口形式。

2.2 焊接夹具

焊接夹具可以对无任何约束的构件进行刚性约束，虽然夹具不能有效控制加热时产生的压缩塑性应变，减小焊接变形的作用有限。但在冷却过程中夹具对焊缝附近的塑性变形区的收缩等效于反向拉伸，可减小纵向残余塑性应变。对焊缝附近区域的约束越强烈，冷却时的塑性拉伸作用越大，控制焊接变形效果越好[2]。

针对该构件变形趋势，对工件的腹板和下翼板进行刚性约束。制作直角刚性固定翻转装置，对构件进行刚性约束。由于工件腹板本身有打孔，利用构件本身的孔在夹具上用螺栓进行刚性约束，能产生强有力地约束力，更好的保证工件的平面度，在没孔的部位增加卡兰和斜楔进行约束。下翼板上没有任何孔，只能利用卡兰进行约束。考虑到这些因素，设计焊接夹具如图2所示。这种焊接夹具能使构件与夹具本身保持一致的平面度和角度，既能防止扭曲变形，又能有效减小角变形。

2.3 焊接方法

工业生产既要提高生产效率，又要保证产品质量。选择焊接方法对产品的成本、质量影响很大。不同的焊接方法，热输入差异很大，与焊条电弧焊、埋弧焊相比，混合气体保护焊降低焊接变形的因素很多。首先，气体保护焊的焊丝细、熔池小、热输入相对集中，在一定的焊接热输入条件下，可以通过同时提高焊接速度和电流，使焊接温度场的分布更加均匀而降低焊接变形。因此，选用混合气体保护焊是最合理的选择方式。

2.4 焊接规范

此构件的焊接完全按照AWS D15.1进行焊接，焊接规范按照前期的工艺评定，以及焊工技能评定，得出的综合参数进行焊接。此焊缝采用多层多道焊接，要保证全焊透，打底焊道采用小电流、短路过渡方式，在焊缝根部打开熔孔，保证打底焊道完全焊透，填充层采用小电流的喷射过渡方式，形成较薄的焊道，这样可以避免气孔等缺陷。盖面层选用较大电流的喷射过渡方式，形成漂亮的外观。

2.5 层道的焊接顺序

为了减小焊接变形，一般工业生产中一般采用对称焊接或者分段退焊的方法进行焊接。

在相同约束的情况下，随着层数的增加，焊接残余应力和焊接变形量会都相应的减少。选用多层焊接时，尽可能的选用较薄的焊道，既可以减小焊接缺陷，也可以减少焊缝的热输入。

在多层多道焊接过程中，相邻焊道之间的采用首尾相接的方法得到的焊接残余拉应力峰值是最小的。选择合理的分段焊的焊接顺序以及焊接方向可以降低焊接结构中某一特定区域的残余拉应力峰值，甚至变成压应力。在多层焊的过程中，采用对称施焊的方法得到的焊接残余拉应力峰值是最小的。

此构件的焊接选用层道的对称焊接（图3），每层焊道采用分段退焊方法，将这整个焊道长度分为4段进行焊接。

3 结论

通过以上焊接方法及焊接辅助夹具进行焊接，腹板和下翼板的平面度控制在0.5 mm以内，腹板和下翼板的垂直度公差也控制2.5 mm之内，满足图纸要求。说明此工艺方法能够很好的实现L形全开放梁体结构的焊接变形控制。

参考文献

[1] 贾安东. 焊接结构与生产[M]. 北京：机械工业出版社，2007.

[2] 张建强，赵海燕. 夹具约束对铝合金薄板焊接变形的影响[J].稀有金属材料与工程，2009（12）：168-172.