薄板結構焊接變形的預測與控制

趙彬

摘 要：現階段，隨著我國工業制造技術的發展和進步，薄板結構逐漸被廣泛應用于汽車、鐵路、海上船舶等多個領域的生產實踐中。因薄板結構在焊接環節受多種因素影響，極易出現焊接變形，既降低了其結構強度，又縮短了其使用壽命。圍繞薄板結構，著重對焊接環節較易導致變形的原因加以預測和控制，以期為提高薄板結構的焊接質量提供借鑒。

關鍵詞：薄板結構；焊接質量；收縮變形；彎曲變形

中圖分類號：TG457.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.04.060

薄板結構在工業生產和制造領域中的應用較為普遍，各行業在使用薄板結構時，在焊接過程中均易出現變形問題，從而影響到薄板結構的焊接質量。基于此，在應用薄板結構時，應對導致其焊接變形的原因加以分析，并在此基礎上做好焊接變形的預測和控制工作，以保障薄板結構的焊接質量，延長其使用壽命。

1 薄板結構焊接變形的原因和類型

薄板結構焊接變形產生的最主要的原因是在焊接時，因受熱面不均衡而導致薄板焊接區出現溫差。薄板材料焊接溫度較高的區域受高溫影響而膨脹，而焊接溫度較低的區域，其膨脹量要小于高溫區域，因此無法自由膨脹，導致內應力產生。在內應力的作用下，焊接溫度較高的區域就極易發生壓縮應變，進而造成薄板結構焊縫及其周邊金屬收縮，而其他部位的金屬不具備同樣的溫度條件，出現反收縮現象，在收縮和反收縮的應力作用下，薄板結構就出現了不同程度的變形。

除了因焊接溫度不同而引發薄板內應力變化這一根本原因外，焊接方法和焊接材料的選擇也是引發薄板結構焊接變形的重要因素。薄板結構焊接變形的類型主要有以下幾種：①收縮變形。依據焊縫方向的不同，收縮變形又可以分為橫向收縮變形和縱向收縮變形。②彎曲變形。彎曲變形是在收縮變形的基礎上形成的，主要包括橫向彎曲變形和縱向彎曲變形兩類。③扭曲變形。這一變形類型源于薄板結構件軸線扭曲。④波浪變形。波浪變形的產生與焊接時的壓縮應力有很大的關系。

2 薄板結構焊接變形的預測和分析

在薄板結構焊接變形的預測和分析方面，業界主要采用有限元方法，即“FEM”法，對焊接過程加以跟蹤和檢測，以獲取、計算薄板結構焊接中產生的變形精確值。在采用有限元方法時，如果涉及到焊接溫度、焊接相變、焊接塑性等變量的計算和分析，可以采用固有應變法輔助。此外，固有應變法適用于結構較為復雜、型號和規格較大的薄板結構件。對于薄板焊接環節熱應力及其變量的跟蹤和計算，主要采用熱彈塑性分析法對在焊接薄板結構時產生的應力和變形情況進行分析。隨著工業測繪技術和新興技術的發展，現階段，在薄板結構焊接變形的預測方面出現了結構屈曲分析和熱彈塑性模擬等技術。這些二維或三維模擬、計算技術的運用，可以簡化預測和計算流程，提升預測的精確性。比如在對碳素結構鋼，即Q25薄板結構進行焊接時，要求材料厚度為5 mm，焊接方式為氣保焊；在對其進行焊接變形預測時，可以采用CAE軟件建立FEM模型，然后獲取焊縫大小、焊接應力、焊接溫度等變量值，并借助三維結構屈曲分析方法、模擬軟件模型、有限元軟件、焊接變形計算公式等對薄板結構焊接變形加以預測和分析。

3 薄板結構焊接變形的控制方法

3.1 科學選擇焊縫位置和焊縫形式

在選擇焊縫位置和焊縫形式時，需要注意以下幾點：①在焊接薄板結構時，對于焊縫位置的選擇，應使其與薄板截面的中軸對稱，盡量縮短焊縫與薄板中軸間的距離。為避免焊縫集中于薄板中軸，導致其焊接彎曲變形程度加深，可以采用弱對稱放置方式，以減少焊接變形。②由于薄板橫、縱向收縮在表現上呈現出一定的差異性，因此，所選的焊縫位置要盡量平行于薄板焊接變形和收縮程度較小的部位。③在薄板結構焊接設計環節，要對薄板結構的分部件予以足夠重視，及時做好分部件的焊接工作。④在確定薄板焊接平板厚度時，應盡量縮短骨架間距，并調低焊縫和焊腳的位置，從而使薄板在焊接過程中保持較高的穩定性，以減少焊接變形。⑤在選擇薄板結構焊接設計方法時，應盡量避開曲線構件較多的設計方法，優先選擇焊接夾具較為簡單的設計方法。

3.2 合理選擇焊接工藝

在薄板結構的焊接中，焊接工藝包括反變形焊接工藝和剛性固定變形工藝。在焊接過程中，應采用科學的焊接工藝，達到減少焊接變形的目的。薄板結構的反變形焊接工藝是指通過對薄板結構在焊接過程中所產生的焊縫方向和焊縫變形加以預測，使薄板結構焊接變形朝著相反的方向，從而達到消除變形應力的目的。薄板結構的剛性固定焊接工藝是指借助剛性焊接夾具，將薄板焊接件加以固定，以達到增強薄板結構件剛度的目的。薄板焊接件的固定應在焊縫完全冷卻后進行。

為了使薄板結構焊接變形的控制效果更加明顯，可以在選用以上兩種焊接工藝的基礎上，合理搭配其他類型的焊接工藝。比如，為了避免在規格較小的薄板結構中形成焊接熱場，可以采用散熱法對其溫度應力進行消除，以最大限度地減少焊接變形；在薄板結構焊接開始前，可以采用壓鐵法輔助，即在薄板結構的焊接縫旁設置壓鐵，以控制焊接變形量；為了避免薄板結構在焊接中出現壓縮失穩現象，可以采用低應力的焊接工藝，即在焊接應力產生時，采用銅塊墊置、剛性固定和通水冷卻等方式分散或消除應力。

3.3 提高焊接方法的科學性和規范性

在焊接時，一方面，要根據薄板結構的焊接要求選擇相應的焊接工藝；另一方面，要注意科學、規范操作，以保障焊接質量。在選擇焊接方法時，需要注意以下三點：①焊接方法的能量密度數值應較高，以減少焊接變形；②要限制焊接線能量，以有效控制焊接變量；③對于薄板結構件對稱性不佳的情況，在焊接參數和焊接夾具的選擇上應有所變化，焊接參數的設置和選取以能夠有效控制焊接彎曲變形為準。

嚴格控制焊縫數量十分重要。從產生機理來看，焊接變形產生的根本原因是受熱均衡程度不一，因此，其變形多發生于焊縫處。為此，在設置焊縫數量時，要本著少設的原則，減少不必要的焊縫；在焊接件的選擇上，應該優先選擇沖壓件和型鋼件。

在焊縫缺陷的矯正方面，要采用相應的矯正方法。常用的矯正方法主要有以下兩種：①火焰加熱法。該方法是指用氣體火焰對薄板焊接構件進行加熱處理，并對塑性變形和冷卻變形加以矯正。②機械矯正法。該方法所用的矯正機械為錘、輥等，通過對薄板結構施加外力，降低其變形程度。需要注意的是，不管采用哪一種矯正方法，都要結合薄板結構的焊接環境、用具、溫度等因素，以提高矯正質量。

4 結束語

綜上所述，薄板結構在焊接過程中出現的變形問題是薄板結構設計、制造及焊接行業致力研究的課題之一，從某種程度上看，也是制約薄板結構焊接技術水平進一步提升的難題。在掌握薄板結構焊接變形原因和類型的基礎上，焊接人員應借助先進的軟件對焊接變形進行預測，并對焊接工藝、焊縫矯正方法等進行科學控制，以提高薄板結構的焊接質量。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕