本站原创摘 要：随着社会的发展,各行各业对焊接技术的要求越来越多、越来越严格,在焊接工作的实际操作过程中,由于焊接本身所具有的的特性很易造成急剧的非平衡加热及冷却,结构将不可避免地产生不可忽视的焊接残余变形.针对钢结构工程焊接技术的重点和难点,根据多年的工程实践经验,本文主要阐述实用焊接变形的影响因素及控制措施和方法.
焊接变形是指钢构件在未受荷载前,由于施焊电弧高温引起的变形,包括缩短、角度改变、弯曲变形等.焊接变形会对结构安装的精度造成很大的影响,过大的变形甚至会显著降低结构的承载能力.因此在焊接过程中,必须通过一定的控制措施减低焊接变形的发生.本文将详尽分析焊接变形的影响因素,并对焊接变形的控制措施进行相关探讨.
1.焊接变形的影响因素
1.1材料因素
材料的热物理性能和力学性能参数都会影响到材料的焊接变形.其中热物理性能的影响主要是热传导系数对材料焊接变形的影响,通常热传导系数越小,材料温度变化越大,焊接变形现象就越明显.相对于热物理性能,力学性能对材料焊接变形的影响就比较复杂,其中热膨胀系数的影响是最大的.当材料的热膨胀系数增加时,焊接变形的程度也就增大.此外,力学性能中的屈服极限和弹性模量的变化也会在一定程度上影响材料的焊接变形.材料的弹性模量和焊接变形成反比例关系,也就是说随着弹性模量的增加,焊接变形反而会降低.屈服极限的增加会导致焊接变形过程产生较大的残余应力,再加上平均应力比较高,就会导致焊接结构材料对于变形的存储能力增加,从而促使脆性断裂事件的发生.塑性应变和塑性区域减小,焊接变形也随之减小.
1.2结构因素的影响
焊接结构的设计对焊接变形的影响最关键,也是最复杂的因素.其总体原则是随拘束度的增加,焊接残余应力增加,而焊接变形则相应减少.结构在焊接变形过程中,工件本身的拘束度是不断变化着的,因此自身为变拘束结构,同时还受到外加拘束的影响.一般情况下复杂结构自身的拘束作用在焊接过程中占据主导地位,而结构本身在焊接过程中的拘束度变化情况随结构复杂程度的增加而增加,在设计焊接结构时,常需要采用筋板或加强板来提高结构的稳定性和刚性,这样做不但增加了装配和焊接工作量,而且在某些区域,如筋板、加强板等,拘束度发生较大的变化,给焊接变形分析与控制带来了一定的难度.因此,在结构设计时针对结构板的厚度及筋板或加强筋的位置数量等进行优化,对减小焊接变形有着十分重要的作用.
1.3工艺因素
焊接采用的方法、焊接顺序、焊接时的定位以及热输入量等对焊接变形的影响,被称为焊接工艺对焊接变形的影响.焊接工艺对焊接变形的影响是最多的,在所有工艺因素中,焊接顺序对焊接变形的影响最大.不同的焊接顺序对焊接结构残余应力的分布状态有很大影响,进而影响焊接变形状态.焊接工艺参数很多,这些参数对焊接变形的影响一直是焊接研究的重点,利用有效的焊接工艺可改善残余应力和减小焊接变形.
2.焊接变形控制措施
2.1合理的设计措施
首先,尺寸选择上要正确恰当.焊缝的大小直接关系到焊接工作量和变形程度.因为焊接变相的程度会随着焊缝的扩大而变大,所以在设计过程中,确保结构承载力的前提下减小焊缝.在确保像十字或者丁字这种受力大的接头程度一样的前提下,可以用开破口焊缝代替一般角焊缝.在如今设计人员对焊接工序了解加深的条件下,已经能做到在设计上避免以前的错误倾向,理性地选择焊缝尺寸与形式.其次,设计应该充分考虑焊接工序,尽可能地减少不必要的焊缝.在设计焊接结构的时候,设计人员应该合理地选择筋板的形状和安排筋板的位置,尽可能地减少焊缝数量,这样能有效地减少焊接变形.再次,设计人员要选取最合适的焊缝位置.在设计焊接结构的时候,设计人员应安排焊缝尽可能地对称于或者接近截面的中轴.采取这样的方法能有效减少梁、柱类结构的挠曲变形.
2.2完善的工艺措施
2.2.1焊前预防措施
焊前预防主要包括预防变形、预拉伸法和刚性固定组装法.预变性法或称反变形法是根据预测的焊接变形大小和方向,在待焊工件装配时造成与焊接残余变形大小相当、方向相反的预变形量（反变形量）,焊后焊接残余变形抵消了预变形量,使构件恢复到设计要求的几何形状和尺寸.预拉伸法多用于薄板平面构件,焊接时在薄板有预张力或有预先热膨胀量的情况下进行的.焊后,去除预拉伸或加热,薄板恢复初始状态,可有效地降低焊接残余应力,控制焊接变形.预热的作用在于减小温度梯度,不同的预热温度在降低残余应力的作用方面有一定的差别,预热温度在300℃～400℃时,在钢中残余应力水平降低了30%～50%,当预热温度为200℃时,残余应力水平降低了10%～20%.刚性固定组装法是采用夹具或刚性胎具将被焊构件尽可能地固定,可有效地控制待焊构件的角变形与弯曲变形等.
2.2.2焊接过程控制措施
焊接过程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接规范参数,选择合理的焊接顺序以及采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施.选择线能量较低的焊接方法以及合理地控制焊接规范参数可以有效地防止焊接变形.采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施可以降低残余应力和减小焊接变形.采用随焊两侧加热,横向应变、纵向应变和最大剪切应变的分布更加均匀,变化更加平缓,起到减小焊接残余应力和变形的作用.随焊碾压法由于设备复杂、使用不便等原因,在生产应用中受到一定的限制,但该方法在提高焊接变
形等方面具有理想的效果.随焊激冷法能够显著地降低残余应力和减少焊接变形.
2.2.3焊后矫正措施
当构件焊接后,只能通过矫正措施来减小或消除已发生的残余变形.焊后矫正措施主要分为加热矫正法和机械矫正法.加热矫正法又分为整体加热和局部加热.整体热矫正是指将整体构件加热至锻造温度以上再进行矫正的方法,可用以消除较大的形状偏差.但是焊后整体加热容易引起冶金方面的副作用,限制了该方法的进一步推广及应用.局部热矫正多采用火焰对焊接构件局部加热,在高温处,材料的热膨胀受到构件本身刚性制约,产生局部压缩塑性变形,冷却后收缩,抵消了焊后部位的伸长变形,达到矫正目的,火焰加热法采用一般的气焊焊炬,不需要专门的设备,方法简便灵活,因此在生产上广为应用.
3.结语
通过对焊接变形因素和控制措施进行分析,我们可以找到多种实现焊接变形控制的方法.但是我们也很容易发现,每种控制措施都有一定的局限性.那么在生产中就要求根据自身的需求和条件选择相应的方法,来实现对焊接变形的控制.在控制措施中,相对成熟和广泛使用的方法是焊接前和焊接过程焊接变形的控制,而焊接后的控制矫正方法还不够成熟和理想,寻找一种有效的控制方法成为日后焊接工艺的一个重要研究方向.