焊接制造中的变形控制

摘要:焊接变形及其产生的应力,一直是焊接工作中的难点。现有的工艺方法都无法达到完全消除变形和应力,在实践工作中只能根据构件的实际情况,进行针对性的工艺改进,以达到构件性能设计要求。

关键词:焊接变形应力控制

在焊接结构的制造过程中,结构不可避免的会产生焊接应力和各种变形缺陷,这是焊接生产所特有的问题。焊接应力和变形对焊接产品会产生影响,不仅影响结构的尺寸的准确和外形美观,而且有可能降低结构的承载能力而影响其使用性能。所以,必须深入地分析焊接结构中应力与变形产生的原因及其规律,从而找出防止或减少焊接应力与变形的措施。

1 变形的成因

内应力是在结构上无外力作用时保留于物体内部的应力,自身形成互相平衡的力系。在焊接结构中存在的这种内部平衡的应力就叫焊接内应力,简称焊接应力。内应力按其作用的时间可分为瞬时应力和残余应力。瞬时应力它随时间而变化,可能是由于温度差异而引起的热应力。它是由于构件受热不均匀,各处膨胀变形或收缩变形不一致,以及金属组织的转变引起体积的变化,互相约束而产生的内应力。当物体温度恢复到原始的均匀状态后,结构中仍然存在的应力,叫做残余应力。

结构的焊接是局部加热过程,构件上的温度分布极不均匀,焊缝及其附近区域的金属被加热至溶化,然后逐渐冷却凝固,再降至常温。近缝区的金属也要经历从常温到高温,再有高温降至常温的热循环过程。金属在加热时要膨胀,冷却和凝固时要收缩,由于结构各处的温度极不均匀,所以各处的膨胀和收缩也差别较大,这种变形不一致导致了各处材料的互相约束,这就产生了焊接应力和变形。

由于焊接一般为局部加热,热源又同时移动,所以距热源不同点处的温度是不同的。温度的不均匀造成了变形的不均匀。因此控制焊接温度,来保证焊合率,以及实现块材的机械性能,进而用焊接压力抑制宏观热变形,同时又可以抑制过高焊接温度所带来的升温热变形积累,从而减小焊接面各种变形和断裂。这在焊接制造工艺中是十分必要的手段。

2 焊接应力和变形的种类

在生产实践中,我们最常见的应力是由温度和凝缩所形成的温度应力和凝缩应力,而这两种情况又和温度的控制有密切的关系,因此在焊接过程中对温度的的控制就显的极为重要。除此之外组织应力也是形成内应力的重要因素,其产生的原因是在不同的焊接热循环作用下,引起局部组织发生转变,随着金相组织的变化,而引起体积的变化,当体积变化受到阻碍时,便产生了内应力。这种应力的存在,对构件的机械性能破坏较大,而且具有较大的隐蔽性。应力还可以按照其在结构中的作用可分为:线应力,即在焊件中只沿一个方向发生,如焊接薄板对接焊缝或在焊接表面堆焊;平面应力,即在焊件较厚钢板的对接焊缝时,焊接的应力虽不同,但均在一个平面上,所以较厚实的构件,一旦出现变形相对来讲也易于矫形;体积应力,即沿空间三个方向上发生,如有三个方向的焊缝的交叉处,就存在着体积应力。最后还可以按其在焊缝中的作用分纵向应力和横向应力。

在焊接实践操作中,因各种焊接应力的存在及焊接时接头形式、钢板厚薄、焊缝长度、焊件形状、焊缝位置等原因,构件在焊后会出现各种不同形式的变形。如果按焊接结构来分可笼统地分为局部变形和整体变形。局部变形是结构某部分发生变形,对结构的影响相对较小,同时也易于矫正。整体变形则是整个结构的形状或尺寸发生了变化,它一般是焊缝在各个方向收缩而引起的,会影响到整个外形与结构的承载能力,较难矫正,甚至出现报废。具体的变形形式有:纵向收缩变形、横向收缩变形、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形、错边变形。在实践操作中,如果出现波浪变形或者扭曲变形,是最头痛的时,矫形的难度非常高,所以在设计结构和工艺过程时,一定要尽量避免板的厚度和宽度的比值过大,以及薄板在结构的使用 、装配不良、施焊顺序的不合理等失误的产生,以使波浪变形或者扭曲变形减少到最低限度。

3 实践中的变形

在本公司生产YJ-3-70、YJ-2-60绞缆机的过程中,由于对底座,支架等零件的精度要求不高,如果采用传统的焊接工艺,其变形较大,需经人工或自然时效消除应力后再经龙刨加工平面,再钻孔,最后把支架和底座用螺栓、螺母连接。这样即费时费力,又增加加工费用,而且由于绞缆机自身精度要求不高,往往在应力消除方面也只是走过场。经过金加工后,在残余应力作用下,经常使得底座与支架的连接孔位产生错位。最后基本上都是强行把支架和底座进行连接,即对错位地方实行现场风割,使螺栓通过,再用其它方法遮丑。使得设计理念无法贯穿制造始终。每次都是花了大力气,却得不到满意的效果。

4 创新的目标

为了改变这种既浪费时间、精力,又无法取得满意效果的生产工艺,我个人认为可以利用焊接的工艺特性和绞缆机的技术要求,改变传统的制造工艺,达到较好的机械性能和经济效益,并主动承担了工艺技术改进的工作。

5 工艺步骤

首先,我从底座和支架的冷加工着手,对下料环节要严格遵循图纸的要求,误差不得超过1~2mm(因绞缆机的技术要求不高,过去下料随意性比较大),料板下料后进行校直,使垂直度达到图纸的要求,然后在大平板上进行冷作搭接。在搭接过程中1)尽量减小焊缝截面尺寸,在保证强度的前提下尽量减少填充金属的数量。2)将焊缝尽量布置在最大工作应力之外,防止残余应力与外加载荷产生的应力相叠加,影响结构的承载能力。3)尽量防止焊缝密集、交叉。4)采用局部降低刚度的方法,使焊缝能比较自由地收缩。5)采用合理的接头形式,尽量避免采用搭接接头,搭接接头应力集中较严重,与残余应力一起会造成不良影响。

在结构搭接过程中,尽量使用平面对接和角对接,不使用或少使用搭接接头。特别是对受压部位的筋板设计,一定要以拉应力的设计为主。

搭接好后,要合理选择工艺措施:1)合理地选择装配焊接顺序。结构的装配顺序对残余应力的影响较大,结构在装配焊接过程中的刚度会逐渐增加,因此应尽量使焊缝能在刚度较小的情况下焊接,使其有较大的收缩余地,装配焊接为若干部件,最后再将其总装。在安排装焊顺序时,应尽量先焊收缩量大的焊缝,后焊收缩量小的焊缝。2)用局部加热法减小应力。3)采用反变形减小残余应力。

在预防和消除焊接残余变形时除了上述几点外,还要注意:1)尽量选用对称的构件截面和焊缝位置,这样焊接引起的变形可以互相抵消,只要工艺正确,焊接变形就易于控制。2)合理地选择焊缝长度和焊缝数量。应尽量减小焊缝的长度,在满足强度要求的前提下,也可以用断续焊缝代替直通焊缝,这样可使焊接变形大大减小。3)可尽量多选成形件(型钢)构成最佳焊接结构。

在对本产品的焊接制造过程中,先将底座下部的中心部位垫高,依靠其重力及两侧施加的一定压力,使之产生弹性反变形用压板将底座压好,具体压力因缺乏必要的计量器无法测得,以现场经验为准,即大平板与底座之间目视无明显缝隙,采用422—Ф3.2焊条,进行分阶段焊接。焊条在焊接前先预热,消除焊条湿度,为减少变形做准备。焊接电流控制在Ф3.2焊条的焊接电流下限(80~100A)。焊接开始后,由两名焊工在两侧同向施焊,应先对加压部分进行焊接,因为加压部分往往是构件受力变形较大的边角地区,最容易产生变形,也是变形产生翘曲的主要部分。因为电焊焊接的变形随意性比较大,要使焊接成型后达到图纸要求,就必须时刻注意焊接体的变化,不能一味求快,要灵活掌握现场情况的变化,不断改变焊接的方向和方法。底座一面焊好后,等完全冷却后再除压,然后再焊另一面,加压要视具体情况,一般利用弹性反变形特性就能达到构件质量要求,基本不会产生变形。若个别地方发现变形超过技术要求,就局部进行加热纠正。不再进行龙刨,钻孔等金加工,以及人工应力消除等工序。

在完成底座的制造后,再进行支架的冷作和焊制,这样的工艺顺序安排,其实也是利用时间差让底座进行自然时效处理,以尽量消除构件内部的应力,为提高机器的整体机械性能打下良好的基础。支架的制作同样在平板上进行冷作搭接,先把底板搭好,并进行焊制,焊好后进行冷却校直后再进行侧板和轴承座的冷作搭制,搭接好后利用压板和专用垫块把支架固定在平板上,这相当于一个简易的夹具。为此该装备必须要有足够的强度和刚度,因为它不仅要承受工件的自重、夹紧力和必要的锤击力,还要承受焊接变形引起的作用力、翻转工件产生的偏心力等。同时还要保证该装备受力后不产生过大的拘束应力,便于焊接后能轻便地取出工件。总之,对于夹具来讲一定要经济适用,即便于操作、便于制造、便于维修。

在焊接支架时,为了加强支架本身的刚度和强度,以加强其抗变形和抗破坏能力,先对内部进行焊制。焊接时要先把焊缝处用焊点点牢,上下左右要错开焊,尽量避免焊接变形。焊完冷却后再减压。最后再封筋板,搭接好后还要利用压板和专用垫块把支架固定在平板上,同法进行焊制。焊缝冷却后再将两侧压力去掉,构件基本未产生变形,达到质量要求。

在支架和底座对接时,把支架直接焊接在底座上,由主轴对支架进行校位。由于在设计时已经考虑到了焊接变形的问题,因此在支架和底座的连接处的焊缝,在保证构件机械性能和安全的要求下尽量最小化,刚度也尽量减小,这样收缩余地也就相对较大,如出现变形也便于矫正。支架的底板两侧用24mm的钢板(300mm×200mm)而中间仅用12mm的钢板,也就是说支架和底座的实际焊接接触面仅300mm×200mm钢板的四周,其焊接变形很小,产生的应力,用一般的加热处理方式就可以达到质量的要求。此法虽然增加了焊接时间和难度,但生产成本大大的降低,而整机的机械性能不但没有降低反而有了很大的提升。

6 结语

在焊接结构的制造过程中,虽然采取了各种措施,但由于焊接工艺本身的特殊性,以致在焊接工艺中不可避免的会产生各种变形情况,一般都采用机械矫正法、火焰法等方式进行矫正。由于机械矫正法需要采用大吨位压力机,对一些小型企业由于设备的缘故实际操作会有困难,而且对结构的尺寸的限制也很大,所以一般在生产实际中只用于尺寸较小的、成批生产的构件的矫形;而火焰法虽然设备简单、方便,但成本高、效率低,对工人的技能要求高。而且机械矫正和火焰加热矫正变形都要发生一定的塑性变形,也就是要消耗一部分材料的塑性储备,所以采用时一般也不做第一选择,特别是对于那些韧性较差的材料。

这就要求在制造过程中,不仅要提高生产效益,减轻劳动强度,提高产品质量和降低成本,还要尽量做到较小的变形,以保证产品的正确尺寸。而在构件上加压(或者制造一些简易的夹具)的方法因其设备要求简单、成本低、易操作、技术便于掌握、质量和效率明显提高、工人劳动条件明显改善等优势在实际生产中加压法就成了焊接工艺中的首选方法之一。

应该注意的是在加压后,制定其焊接顺序的基本原则是:(1)收缩量大的焊缝应最先焊接;(2)离中性轴远的焊缝先焊,如本例中底座焊接时的先两边再中间;(3)对称焊缝用相同的焊接参数同时施焊;(4)对于在使用中与受压构件相联系的焊缝,设计的焊接顺序应当使这条焊缝(在构件中)形成拉应力或至少不应当有较大的压应力。

在一定的焊接压力使接触界面产生足够的变形,从而保证接合面贴合良好。如果说足够高的焊接温度是保证焊合率,从而为调节焊后实体的变形量提供可能的话,那么焊接压力及加压程序的设计,则成为控制变形的必要手段。在压力作用下的焊接须在焊接体完全冷却后再去除压力,以防或减少翘曲等各种变形。

参考文献

[1]贾安东.焊接结构与生产.北京:机械工业出版社,2007.1.

[2]张彦华.焊接结构设计及应用.北京:化学工业出版社,2009.5.

[3]上海市焊接协会编.现代焊接生产手册.上海:上海科学技术出版社,2007.5.

[4](美)巴克霍夫(Barchoff.J.R)著,苏晓鹰,温惠娟译.全面焊接管理.北京:机械工业出版社,2007.3.

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