薄板焊接的特殊問題的研究趨勢探究

范靈利++劉恒

摘 要：薄板焊接的特殊問題是燒穿和變形，該文針對薄板焊接的特殊問題，分析了薄板失穩(wěn)變形的原因。對薄板焊接的特殊問題的研究趨勢進(jìn)行探究，致力于提高焊接接頭的力學(xué)性能。對于控制薄板焊接變形的各種措施進(jìn)行總結(jié)，提高結(jié)構(gòu)性能、安全可靠性和制造工藝性。

關(guān)鍵詞：薄板 焊接 變形

中圖分類號：TG404 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（a）-0115-02

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和制造業(yè)水平的提高，具有重量輕、工藝性能好的薄板焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種大型結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域。近年來控制薄板焊接燒穿和變形的各種解決方案層出不窮，用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐來提高產(chǎn)品質(zhì)量。目前對薄板焊接燒穿問題已經(jīng)得到很好的解決和控制，但都存在一定的缺點(diǎn)和不足。通過合理地安排焊縫的位置，減少焊接應(yīng)力和變形等方法，對于薄板焊接的燒穿和變形問題進(jìn)行研究，避免由于失穩(wěn)而產(chǎn)生薄板焊接的特殊問題。通過提出各種解決方案，建立一套控制薄板焊接變形技術(shù)方案，從而達(dá)到減少薄板焊接中存在的易燒穿、變形大的目的，對增強(qiáng)產(chǎn)品的整體競爭力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 薄板焊接的特殊問題的研究趨勢概述

薄板雖然具有質(zhì)量輕、連接方便等特點(diǎn)，但由于其自身拘束度小，變形尤為嚴(yán)重。焊接作為一種重要的制造手段，使用這種加工方法導(dǎo)致的變形會(huì)嚴(yán)重地影響薄板本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在焊接過程中又由于局部加熱、冷卻作用，也會(huì)導(dǎo)致橫向收縮、縱向收縮等一系列變形。當(dāng)焊縫的縱向收縮與薄板邊緣的壓力超過一定比值時(shí)，使焊接操作無法繼續(xù)進(jìn)行。因此，對于薄板焊接的燒穿和變形問題進(jìn)行研究，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.1 薄板焊接的特殊問題之燒穿問題

通常對于6 mm以下的薄板，最容易產(chǎn)生的問題就是燒穿。薄板上產(chǎn)生高度不均勻的焊接溫度場，使未熔化的金屬?zèng)]有能力承受其所受到的應(yīng)力作用。因此必須了解薄板焊接變形質(zhì)量影響因素，改變一旦燒穿無法修補(bǔ)的危險(xiǎn)局面，成功實(shí)現(xiàn)薄板焊接變形的控制，力求在能完成焊接的前提下減小焊接電流和控制焊接熱輸入。如圖1所示，熔池主要承受電弧壓力P和液體表面張力F，在此基礎(chǔ)上還存在自身重力Q的影響。

1.2 薄板焊接的特殊問題之變形問題

薄板焊接時(shí)另一突出問題就是焊接變形，這一問題更為復(fù)雜，要特別注意防止失穩(wěn)而產(chǎn)生波浪變形。結(jié)合實(shí)際對薄板焊接失穩(wěn)變形的影響因素進(jìn)行較為細(xì)致的分析，發(fā)現(xiàn)一個(gè)操作工人的質(zhì)量就可使薄板產(chǎn)生永久性的變形。在焊接過程中近焊縫區(qū)與遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域內(nèi)分別產(chǎn)生拉應(yīng)力與殘余壓應(yīng)力，具有復(fù)雜性、多元性。當(dāng)焊縫的縱向收縮產(chǎn)生的壓應(yīng)力達(dá)到臨界失穩(wěn)應(yīng)力時(shí)，就會(huì)在焊接接頭區(qū)域產(chǎn)生不協(xié)調(diào)的塑性變形。

2 控制薄板的特殊問題的研究進(jìn)展

在薄板焊接中，薄板焊接燒穿問題已經(jīng)得到很好的控制。但是焊接過程中的熱輸入決定了變形是不可避免的，同時(shí)焊接方法、焊接工藝和焊接程序顯著影響焊接變形的程度。通過對大量焊接不銹鋼對接試驗(yàn)分析得出，設(shè)置加強(qiáng)筋或增加板厚等均可以減小變形。薄板對接焊時(shí)進(jìn)行無間隙裝配，把薄板壓制成凸筋或波紋形在一定程度上也能有效地控制燒穿。利用橫向收縮位移，從而降低殘余壓應(yīng)力和提高臨界應(yīng)力以減少變形。

2.1 控制薄板的燒穿問題的研究進(jìn)展

隨著對焊接燒穿機(jī)理研究的深入，通過嚴(yán)格控制焊接能量參數(shù)，減小板件初始不平度和支承條件的影響。在保證焊縫成形的情況下，既考慮工藝性又要考慮經(jīng)濟(jì)性。國內(nèi)外研究出了各種不同的途徑和措施來減小焊接變形，采用精裝夾具以此來保證接縫兩側(cè)的夾緊力均勻，減小鋼板切割、裝夾與焊后處理等對燒穿的影響。選擇恰當(dāng)?shù)暮附臃椒ê凸に噮?shù)，增強(qiáng)未熔化的金屬承受它所受到的應(yīng)力作用。盡量控制焊接電弧燃燒的穩(wěn)定性，提高金屬熔池的表面張力。選擇正確的焊接電流并保持其恒定，在能完成焊接的前提下減小焊接電流和控制焊接熱輸入。這些方法均能在一定程度上減小焊接燒穿的概率，達(dá)到避免焊接燒穿的目的。

2.2 控制薄板的變形問題的研究進(jìn)展

隨著對焊接變形機(jī)理研究的深入，薄板焊條電弧點(diǎn)固焊燒穿的焊接電流控制電路。焊接過程中的熱輸入決定了焊接變形是不可避免的，尤其是熱輸入、板的厚度和夾具對臨界板寬有顯著影響。預(yù)防和控制薄板焊接結(jié)構(gòu)變形的措施層出不窮。如采用夾具固定焊件，盡可能考慮將焊縫布置在靠近結(jié)構(gòu)中心線的區(qū)域內(nèi)；在沒有預(yù)變形的情況下，在焊接工藝上盡可能合理運(yùn)用剛性固定法和反變形法；增加焊件的約束，使焊接變形控制在產(chǎn)品技術(shù)公差要求范圍以內(nèi)。夾具的約束作用可以控制和減小焊后殘余應(yīng)力分布及變形，在此基礎(chǔ)上正確選用焊接方法和焊接材料。當(dāng)薄板焊接構(gòu)件出現(xiàn)較大殘余變形而無法達(dá)到產(chǎn)品的使用要求時(shí)，還可通過逐點(diǎn)擠壓法和機(jī)械拉伸法等進(jìn)行焊后矯正。

3 薄板焊接的特殊問題的研究趨勢前景

薄板焊接變形影響因素的研究及焊接變形控制措施的研究，有很大的實(shí)用意義和發(fā)展前途。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)理論的不斷完善，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行制造工藝參數(shù)的優(yōu)化可省去大量的摸索實(shí)驗(yàn)時(shí)間，從而得出各種條件下薄板失穩(wěn)變形模態(tài)，詳盡地掌握焊接應(yīng)力和變形的產(chǎn)生及發(fā)展過程。

（1）通過結(jié)構(gòu)的彈性屈曲分析，通過一次彈性有限元分析求得整個(gè)構(gòu)件的焊接變形。要成功實(shí)現(xiàn)薄板焊接變形的控制，進(jìn)行大量的數(shù)值模擬評估薄板結(jié)構(gòu)尺寸，預(yù)測和控制焊接殘余應(yīng)力和變形。針對薄板結(jié)構(gòu)厚度方向尺寸遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向尺寸的特點(diǎn)，使焊接變形控制在產(chǎn)品技術(shù)公差要求范圍以內(nèi)。通過利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)與板的穩(wěn)定理論相結(jié)合的方法，有效減少了計(jì)算工作量。

（2）在焊接熱循環(huán)過程中通過跟蹤熱應(yīng)變行為來計(jì)算熱應(yīng)力和應(yīng)變，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對比證實(shí)了這種方法的有效性。對薄板焊接變形的預(yù)測與控制進(jìn)行大量研究，預(yù)測大型復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)焊后變形的數(shù)值分析技術(shù)變得尤為重要。將二維熱彈塑性數(shù)值模擬與三維結(jié)構(gòu)屈曲分析結(jié)合起來，使有限元法得到更加廣泛的應(yīng)用。隨著大型有限元軟件的開發(fā)并取得了良好的效果，縮短與國外技術(shù)的差距奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對薄板焊接過程中存在的主要問題進(jìn)行了深入的研究，已經(jīng)在一定程度上可以很好地控制焊接燒穿與變形。但由于薄板焊接變形具有復(fù)雜性、多元性，在很多情況下解決辦法還未搞清楚，因此仍然是國內(nèi)外薄板焊接制造業(yè)的一個(gè)技術(shù)難題，還需配合其他控制焊接變形的措施，增強(qiáng)焊接質(zhì)量。

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