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      焊接理論分析和實踐應用

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      焊接理論分析和實踐應用

      作者:劉朝暉單位:廣州奧的斯電梯有限公司

      當這種局部加熱到使金屬產生塑性變形的溫度時,冷卻之后就會產生殘余內應力和殘余變形。這種殘余內應力叫焊接應力,由于焊接應力造成的變形叫焊接變形。對于圖2這樣的T形焊接截面,由于角焊縫而產生的焊接應力導致沿焊縫縱向的收縮變形及垂直于焊縫的橫向收縮變形。T形焊接構件中的殘余應力分布如圖3所示,在離開T形構件一端稍遠的某一截面,如X-X截面的近縫區產生了很高的平行于軸線方向的拉伸殘余應力。右圖是X-X截面上平行于軸線方向的殘余應力分布。在T字接頭的焊接中,近縫區存在拉應力,遠離焊縫的區域則存在壓應力。由于焊縫縱向收縮引起的型鋼縱向彎曲變形,使腹板靠近上邊的區域具有拉應力。由于橫向收縮在側板厚度方向上分布不均勻,造成圖3所示的角度變化(這種變化包括扁鋼的焊接角度變化和側板本身的角變形)。縱向和橫向的綜合作用,最終造成了扁鋼和側板的翹曲和波浪變形。

      影響焊接變形的因素

      引起焊縫收縮的因素很多,主要因素如焊縫的結構、焊接方法、焊接規范(熱輸入量)、材料和焊接工藝(如焊接順序和焊接方向)等。

      1焊縫數量、長度、斷面尺寸焊縫的數量越多,焊縫越長,焊接截面尺寸越大,產生的熱量越多,變形越大。角變形隨焊角尺寸的增大而增大(例如橫向收縮值與角焊縫面積成正比)。因此,在保證聯接強度和接頭組織性能的的前提下,要盡可能減少焊縫尺寸。

      2焊接熱輸入量導致收縮變形的主因素是焊接熱輸入量(溫度),溫度的輸入給焊縫冷卻收縮變形帶來很大影響,高溫輸入收縮變形就大,反之,低溫輸入收縮變形就小。焊接熱輸入量(焊接線能量)直接與焊接電流、電弧電壓、焊接速度有關。采用大電流快速焊,比小電流慢速焊的變形和應力要小。

      3材料對于焊接變形的影響,不僅和焊接材料有關,而且和母材也有關系,材料的熱物理性能參數(如熱傳導系數)和力學性能參數(如熱膨脹系數)都對焊接變形有重要的影響。一般熱傳導系數越小,溫度梯度越大,焊接變形越顯著,熱膨脹系數增加,焊接變形也相應增加。

      4焊接工藝焊接工藝對焊接變形的影響方面很多,如焊接方法、構件的定位或固定方法、焊接順序、焊接工裝及夾具的應用等。在各種工藝因素中,焊接順序對焊接變形的影響較為顯著,一般情況下,改變焊接順序可以改變殘余應力的分布及應力狀態,減少焊接變形。此外,采用間斷焊的縱向收縮變形比連續焊要小,其效果隨L/a的比值降低而提高(L為分段焊縫的長度,a為兩段之間的中心距)。在保證焊縫強度的情況下,用間斷焊縫代替連續焊縫是降低縱向收縮變形的有效措施之一。

      減小焊接變形的措施

      如若因結構限制而導致的焊接變形不可避免,就只能采取一定的措施控制其變形量。從焊縫結構設計到焊接工藝上(焊接工裝、焊接順序、焊接規范等)都應合理選擇。

      1焊縫結構方面

      1.1選擇合適的焊縫尺寸在保證結構有足夠承載能力的前提下,應采用盡量小的焊縫尺寸,并盡可能減少焊縫數量。過量的焊接金屬不僅不會增加強度,反而會增加收縮應力,增加焊接變形。

      1.2選擇合理的焊接坡口形式為使接頭的焊接金屬量最小,應該選用焊縫金屬少的坡口形式,如在T形焊接中,用雙邊坡口替代單邊坡口接頭,可以減小焊接角變形。

      2焊接工藝方面

      2.1反變形法焊接前使零件預先向焊接變形的相反方向,焊前預置變形和焊后變形相互抵消,達到需要的形狀,這是克服角變形和彎曲變形既有效又能減小殘余應力的方法。反變形量需經試驗確定,可以達到較好的準確程度。

      2.2剛性固定法在沒有反變形的情況下,將焊件使用強行固定的方法或手段來限制焊接構件的變形。使用這種方法防止角變形和波浪變形效果比較好。有夾具固定條件下的焊接收縮量比沒有夾具固定的焊接收縮量減少約40%~70%。常用的剛性固定有:將焊件固定在剛性平臺上;將焊件組合成剛度更大的結構;利用焊接夾具增加結構的剛度和拘束;利用臨時支撐增加結構的拘束。

      2.3合理地選擇焊接方法和規范選用焊接線能量較低的焊接方法,可以有效地防止焊接變形。采用CO2氣體保護焊,不但效率高,而且可以減少薄板結構的變形,提高焊接質量。此外,要減小并避免焊件的變形,應注意嚴格控制線能量,即在完成焊縫焊接的前提下,盡量減少焊接的熱輸入,從而縮小焊接熱影響區,減少焊接變形及其對接頭性能的惡劣影響。

      2.4焊接順序焊接順序對焊接殘余應力和變形的產生影響較大,采用不同的焊接順序,可以改變殘余應力的分布規律。采用合理的焊接順序來減少變形,這在生產實踐中是行之有效的好辦法。安排焊接順序時一般的原則如下。(1)盡量采用對稱施焊,能使產生的彎曲變形互相抵消。(2)對某些焊縫布置不對稱的結構,應先焊焊縫少的一側。(3)在可能的情況下,將連續焊縫改成斷續焊縫,可減少焊縫和工件由于受熱而產生的塑性變形,或者采用不同的焊接方向和焊接順序,可使局部焊縫變形適當減少或相互抵消,從而達到總體減小焊接變形的目的。常見的焊接順序如分段退焊法、分中分段退焊法、跳焊法、分中對稱法等(圖4)。圖5顯示了不同焊接順序和分段時焊接應力的分布,改變焊接順序減少了殘余應力峰。為防止焊接角變形,可以采取如預先點固焊和焊接夾具、多層焊、分段焊等方法。其中,預先點固焊的工藝能保證焊接間隙,并有一定的抗變形能力。其數量、焊角尺寸、焊點之間的距離以及點固焊的順序需要綜合考慮,防止對焊接殘余變形產生累積影響。

      焊接工藝改進

      綜上所述,側板焊接變形控制采取的措施如下。

      1修改焊縫結構尺寸側板沿扁鋼導軌增加槽焊縫孔(圖6),間距為150mm,以保證連接強度,并減小焊接變形。其余位置保持交錯斷續角焊縫,焊腳尺寸K由5mm改為4mm,以減小焊接變形(圖7)。

      2重新修改焊接工裝如圖9(a)所示,將扁鋼導軌置于預先布置好的定位柱中,定位柱的包絡剛好是擬焊接的扁鋼的輪廓曲線(圖8)。定位柱保持一定的間隙,間隙保持在扁鋼的厚度+0.3mm,既保證一定的焊接自由度,又防止過大的變形產生(圖9(a)、圖9(b))。如圖9(b)所示,利用側板的工藝大圓孔,插入定位柱,將側板剛性固定,如圖9(c)所示,使用壓塊壓住側板,進一步對側板進行剛性固定。

      3優化焊接順序工藝順序為:焊前沿側板的槽焊縫孔進行點固焊,先焊槽焊縫,焊后進行平整,之后再焊角焊縫。這樣的順序可以減少扁鋼的角度焊接變形,并有利于減小焊接內應力,此外,焊角焊縫時,調整焊接順序為由中心向兩端焊,并采用交錯斷續焊。

      4調整焊接參數通過調整焊接電流,電弧電壓,焊接速度,氣體流量等參數來調整焊縫尺寸,保證焊接質量。使用1.2mm焊絲,焊接電壓24V,焊接電流250A,焊接速度30~50cm/min,氣體流量約14L/min,焊絲伸出長度10~12mm。由于采用了合理的結構設計和焊接工藝,并有焊接工裝保證,側板與扁鋼的焊接變形控制效果顯著,經過幾批次的加工試驗,垂直度公差基本達到要求,平面度公差也基本達到要求。

      結論

      在實際生產中,要充分掌握焊接變形的規律和預防焊接變形的措施,綜合考慮各種影響因素,制定出合理的預防焊接變形和最大限度地減少焊接變形的措施,從而減少矯正焊接變形的工時,提高產品質量及生產效率。

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