焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形控制措施研究

張亞春

（大慶油田裝備制造集團(tuán)抽油機(jī)制造分公司，黑龍江 大慶 163000）

在機(jī)械制造業(yè)中，尤其在石油裝備制造中，如抽油機(jī)、鉆井等設(shè)備，近一半以上的工作量是結(jié)構(gòu)件的焊接，焊接作為重要的加工工藝，在生產(chǎn)制造過(guò)程中發(fā)揮著不可替代的作用。但是在實(shí)際操作的現(xiàn)場(chǎng)，由于受到環(huán)境溫度、結(jié)構(gòu)件溫度、焊工的技術(shù)水平、焊接方法等條件的影響，使得焊接制造和焊接生產(chǎn)中焊接接頭會(huì)出現(xiàn)瞬間變形和瞬態(tài)熱應(yīng)力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在制造業(yè)中每年因?yàn)楹附討?yīng)力所帶來(lái)的損失已經(jīng)高達(dá)千萬(wàn)元以上，甚至還會(huì)對(duì)人們的生命安全造成危害。因此，在工業(yè)制造中對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形的重視程度越來(lái)越高，為了更好的保障工業(yè)生產(chǎn)安全，已經(jīng)發(fā)展成為當(dāng)下必須解決的重要問(wèn)題。

1 焊接變形的形成及產(chǎn)生的影響

1.1 焊接變形的形成

在焊接作業(yè)時(shí)，產(chǎn)生的熱過(guò)程是十分復(fù)雜的。而工件焊接工藝的選擇直接影響著工件的受熱問(wèn)題。如果焊接工藝選擇的不合理，直接會(huì)加劇整個(gè)工件受熱不均勻問(wèn)題，導(dǎo)致工件內(nèi)應(yīng)力分布不均勻，使工件發(fā)生嚴(yán)重的變形，影響工件的質(zhì)量導(dǎo)致無(wú)法正常使用。

首先，在焊接作業(yè)時(shí)都是進(jìn)行局部受熱的，也就是說(shuō)，只有在進(jìn)行焊接的區(qū)域會(huì)受到加熱，產(chǎn)生熱量輸入。對(duì)于其他區(qū)域來(lái)講，會(huì)出現(xiàn)能量的消耗。而這種局部的加熱會(huì)直接導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力和焊接變形。其次，焊接中熱過(guò)程是瞬時(shí)性的。熱量在金屬材料中的傳播速度極快，因此在焊接過(guò)程中，熱源是高度集中的，以實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)將大量的熱量供給工件，這就使焊接過(guò)程中的熱過(guò)程具有時(shí)變性和非穩(wěn)定特性。最后，焊接過(guò)程中熱源是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的。在焊接過(guò)程中，焊接熱源會(huì)隨著工件的位置變化而發(fā)生變化，這也在很大程度上加劇了焊接熱源的不穩(wěn)定性。

1.2 焊接變形產(chǎn)生的影響

對(duì)于工件來(lái)講，在沒(méi)有受到外力的作用下內(nèi)部的應(yīng)力是平衡的。但當(dāng)對(duì)工件進(jìn)行焊接操作時(shí)，就會(huì)使工件受熱發(fā)生膨脹，冷卻發(fā)生收縮，這也就是熱脹冷縮原理。因此，在受熱和冷卻中溫度所發(fā)生的變化會(huì)使得工件發(fā)生變形，而工件的變形主要是在焊接過(guò)程中熱應(yīng)力分布不均勻引起的。在焊接處，與焊縫方向相同的殘余應(yīng)力叫作縱向應(yīng)力，而垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力叫作橫向應(yīng)力。而在工件中若有殘余應(yīng)力的存在，就會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生很多負(fù)面影響。

首先，對(duì)靜載荷的影響。在焊接構(gòu)件中，當(dāng)縱向拉伸的殘余應(yīng)力較高時(shí)，可以拉近某些材料的屈服強(qiáng)度。當(dāng)受到外在工作應(yīng)力時(shí)，同方向的應(yīng)力會(huì)進(jìn)行相互疊加，就會(huì)使該區(qū)域發(fā)生變形，導(dǎo)致工件不能繼續(xù)承載外力，使焊接構(gòu)件的有效承載面積減少。其次，對(duì)剛度的影響。在焊接構(gòu)件中，如果內(nèi)應(yīng)力方向與外載荷方向是一致的，當(dāng)受到外載荷作用時(shí)，焊接工件的剛度就會(huì)下降。并且焊接工件所發(fā)生的變形在卸載之后是無(wú)法進(jìn)行恢復(fù)的。最后，對(duì)桿件壓穩(wěn)定性的影響。由于焊接的殘余應(yīng)力均勻的分布在工件內(nèi)部，因此，在焊接構(gòu)件的截面上會(huì)同時(shí)有壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。當(dāng)焊接構(gòu)架承受外載荷時(shí)，外加的應(yīng)力與焊接件截面上的壓應(yīng)力進(jìn)行疊加，會(huì)使焊接構(gòu)架壓應(yīng)力區(qū)先達(dá)到屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致焊接構(gòu)件減少承載能力。

2 控制焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形的技術(shù)要求

2.1 采取定位焊點(diǎn)焊的方式

為了減少焊接結(jié)構(gòu)件的收縮應(yīng)力和焊接變形，在焊接方式上采取定位焊點(diǎn)焊的方式可以降低對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件的變形影響。在焊接時(shí)，應(yīng)該先對(duì)受周圍約束較大的部位進(jìn)行焊接，然后再對(duì)受周圍約束較小的部位進(jìn)行焊接，這樣才能更好地保證先焊接的部位可以進(jìn)行自由收縮，減少焊接結(jié)構(gòu)件的變形。

2.2 焊接時(shí)保持連續(xù)性

在焊接操作中，一旦對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了焊縫操作，就必須保持作業(yè)的連續(xù)性，不可因中途的其他緣故而中斷。但如果在焊接過(guò)程中有特殊原因，必須對(duì)焊接操作進(jìn)行中斷時(shí)，要對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)的處理，以減少焊縫開(kāi)裂。當(dāng)對(duì)該結(jié)構(gòu)件進(jìn)行再次焊接時(shí)，要保證表面是清潔干凈的，并且不存在任何的缺陷，才可以按照原來(lái)的工藝?yán)^續(xù)對(duì)其進(jìn)行重新焊接。

2.3 焊接時(shí)需要預(yù)熱

根據(jù)焊接工藝評(píng)定要求，焊接結(jié)構(gòu)件是需要對(duì)主縫和定位焊縫進(jìn)行預(yù)熱的，并且焊接溫度在焊接過(guò)程當(dāng)中要得以保持。對(duì)于定位焊縫預(yù)熱溫度與主奉預(yù)熱溫度相比，定位焊縫的預(yù)熱溫度要高出20 ～30 度。預(yù)熱的方式可以采用加熱板對(duì)焊件進(jìn)行均勻加熱。

3 有效控制焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形

3.1 焊接方法必須合理

在機(jī)械生產(chǎn)制造過(guò)程中，對(duì)焊接件進(jìn)行焊接時(shí)選擇正確的焊接方法是非常重要的。倘若我們根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)件的實(shí)際情況，所選擇的焊接方式是線能量較低的，就可以實(shí)現(xiàn)大幅度地減少焊接區(qū)塑性壓縮區(qū)，同時(shí)在焊接過(guò)程中還可以對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件的焊接變形進(jìn)行有效的控制?，F(xiàn)階段，在焊接工藝中，能夠有效降低焊接變形量的工藝有無(wú)極氬弧焊、手工電焊弧以及二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊等方法。因此，在對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊接時(shí)，如果在工藝上以上三種方法可以實(shí)現(xiàn)焊接需求，那么可以通過(guò)該方法有效控制焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形。

3.2 減小變形

減少焊接結(jié)構(gòu)件的焊接變形，首先要從減少線能量開(kāi)始。通過(guò)減小線能量能夠有效地防止焊接接頭的波浪變形、角變形等，減少線能量對(duì)控制梯形接頭的腳變形和橫向收縮所起到的效果最好。一般對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊接時(shí)，主要有縱向焊縫和橫向焊縫，因此在進(jìn)行焊接時(shí)，主要是控制焊接接頭的波浪變形、角變形等。當(dāng)線能量為定值時(shí)，增大板厚可以使收縮變形下降。但是在實(shí)際焊接中，要保障焊接結(jié)構(gòu)件焊透，當(dāng)板厚增大使線能量也會(huì)增加，線條金屬熔敷量就會(huì)增大，也會(huì)使收縮變形增大。況且在實(shí)際焊接過(guò)程中，很多時(shí)候是要對(duì)焊縫進(jìn)行局部翻修的，一次焊接很難使其焊透。因此，在對(duì)焊接操作進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要充分的考慮板厚的因素，進(jìn)行合理的確定。此外，在機(jī)械制造時(shí)，要控制好坡口和根部間隙所帶來(lái)的影響，制作時(shí)應(yīng)該在平面度兩毫米的專用平臺(tái)上進(jìn)行，下料的尺寸和鋼板劃線都要保證精確。同時(shí)還要保證控制鋼板卷制過(guò)程中中卷板機(jī)卷軸心線與鋼板寬度中心線是垂直的。

減少焊接結(jié)構(gòu)件的焊接變形，其次是要進(jìn)行自由收縮。在對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊接設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分利用焊接后收縮變形與結(jié)構(gòu)反變形之間的相互抵消。由于變形之間的相互抵消，可以降低焊接件的變形。因此，在焊接過(guò)程中先進(jìn)行縱向焊縫的內(nèi)側(cè)焊接，然后再進(jìn)行拼裝。

3.3 消除變形

對(duì)于通過(guò)焊接已經(jīng)形成變形的結(jié)構(gòu)件，可以通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)對(duì)其進(jìn)行矯正，有效地消除焊接殘余變形。目前，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐和理論研究，機(jī)械加壓矯正變形法和火焰加熱矯正變形法對(duì)于焊接件殘余變形的消除效果最佳。因此，在焊接操作規(guī)程中，對(duì)于已經(jīng)產(chǎn)生焊接變形的結(jié)構(gòu)件通過(guò)相應(yīng)的消除手段使其恢復(fù)，可以提高結(jié)構(gòu)件焊接作業(yè)的有效生產(chǎn)力，減少焊接過(guò)程中因焊接應(yīng)力導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)件質(zhì)量不合格所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在機(jī)械制造業(yè)進(jìn)行日常的焊接工作時(shí)，影響焊接結(jié)構(gòu)將發(fā)生變形的因素很多，而焊接結(jié)構(gòu)架變形也是眾多因素共同作用的結(jié)果。因此，在焊接環(huán)境合適的情況下，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整焊接規(guī)范和焊接工藝可以減少焊接結(jié)構(gòu)件的變形量。其次，焊接作業(yè)人員也要在不斷的作業(yè)實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷地對(duì)焊接工藝進(jìn)行完善和優(yōu)化，使我國(guó)制造工業(yè)的裝焊技術(shù)和焊接工藝的水平再上一個(gè)新臺(tái)階，為機(jī)械工業(yè)企業(yè)帶來(lái)給好的經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展空間，促進(jìn)我國(guó)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。