机械焊接结构热变形的控制

机械焊接结构热变形的控制

罗肄

(杭叉集团有限公司结构件研究所)

摘要：其实众所周知钢结构不可能离开焊接，而在焊接过程中由于需要急剧的不平衡的加热，致使结构将不可避免地产生不可忽视的焊接残余变形。而焊接残余变形则一定会影响结构的设计的完整性，也会对制造工艺的合理性产生影响，自然对结构的使用的可靠性也不可或缺的造成一定的损失。那么根据多年的工程实践经验和针对钢结构工程焊接技术的重点和难点，本文着重阐述如何加强对机械焊接结构热变形的控制。

关键词：机械焊接热变形控制

1影响焊接变形的直接因素

因为焊接变形大部分是在焊接热过程种致使发生的变形，所以便把焊接过程中发生的变形不同分为了瞬态热变形和残余变形。

其实影响焊接变形的无非就三个重要因素：材料、结构和工艺。

1.1第一个重大影响因素：材料

材料对于焊接变形的影响一是和焊接材料有关，二和母材也有关，材料在热物理性参数和力学性能参数都会对焊接变形的产生过程有着很重要的影响。从热传导系数上分析那么热物理性能参数的影响要大一些，一般情况下热传导系数越小，温度梯度就会越大，焊接变形就会更明显。而力学性能对焊接变形的影响则显得很复杂，从而显得热膨胀系数的影响最为明显了，随着热膨胀系数的增加自然焊接变形也就相应的增加。另外材料在高温区的控制极限和弹性模量随着温度的变化率也占有重要的作用，一般是随着弹性模量越大，焊接变形则会越小，那么反之就会引起很高的残余应力。那么焊接结构存储的变形能量自然也会因为这个原因而增大，极有可能促使脆性断裂，还有就是塑性应变很小而且塑性区范围也小，从而使焊接变形也会减少。

1.2第二个重要影响因素：结构

焊接结构的设计不仅对焊接变形有着极大地影响，也是最复杂的因素。其总体原则是随着拘束度的增加而增加焊接残余应力，反而会减少焊接的变形。结构在焊接变形过程中的拘束度是不断发生变化的，因为其自身就是变化的拘束结构，同时也接收外界给予的影响。在设计焊接结构时，一般总是需要采用筋板或强板来提高结构的稳定性和刚性，同时也增加了对某些区域对于焊接的变形分析和控制的难度。所以一定要针对结构板的厚度做出调整，或者加强筋的位置数量，从而减小焊接的变形。

1.3第三个重要的影响因素：工艺

焊接工艺从对个方面对焊接变形产生了影响，比如焊接方法的不当，焊接输入电流电压量的大小，还有构件的准确定位亦或固定的方法，还有焊接的先后顺序，焊接胎架及夹具的应用等等。而在这其中焊接顺序的影响是最明显的，一般情况下，焊接顺序的改变可以对残余应力的分布产生影响使焊接应力状态减小。另一方面多层焊接和焊接工艺的参数也有着不可忽视的影响。从各种实践中得出的经验，是要利用特殊的工艺规范和措施，来达到对焊接残余应力和变形的改变，也改变残余应力分布的状态。

2如何就改变焊接中变形的控制

2.1关于设计的一些措施

2.1.1如何就合理的选择焊接的尺寸和形成。

焊接尺寸是最关键的一个部分。如果焊接的尺寸过于增大，不但是工作量增加也会增加焊接的变形，所以在结构的承载力有保障的条件下，设计的尺寸一定要用较小的焊缝尺寸。而且在有了相同强度保障的条件下，采用开破口的焊缝会比普通焊缝好，会减少变形。

2.1.2合理利用，减少浪费

在设计焊接的结构时，一定要合理地选择筋板的形状，对筋板的位置做出合适的安排，要做到少数量的焊缝，而从减少不必要的焊缝，也可以相应的减少焊接变形。

2.1.3对于焊缝位置的处理

在对焊接结构进行设计时，要么使焊缝更接近于中性轴，要么使焊缝对称与截面的中性轴，这样的设计可以控制在梁、柱等类型结构的挠曲变形。

2.2关于工艺措施的几个方面

工艺措施是在焊接构件生产制造过程中所不可缺少的一些措施。

2.2.1第一个是焊前预防措施

焊前预防有预防变形、预拉伸法和刚性固定组装法三个部分。

预防变形就是根据预测的焊接的大小方向，在实施焊接工程中通过各种控制使构件恢复到设计要求时的几何形状和尺寸。

预拉伸法是在焊接时根据薄板的预张力或先前有热膨胀量的情况下进行的。完毕后，一定要去除预拉伸或加热，使得薄板恢复到最初的状态，这样可以减低焊接的残余应力，而从控制焊接变形。

刚性固定组装就是利用夹具和刚性胎架对焊构件进行固定，这样可以很好的控制将要进行焊构件的变形和弯曲变形。

2.2.2在焊接过程中进行的控制措施

对于焊接过程的控制就一定要采取合理的焊接方法，同时要对焊接参数有着严格规范，从而选择合理的焊接顺序，对随焊两侧进行加热，碾压，跟踪激冷等一系列措施。焊接方法一定要选择线能量很低的，而且要严格合理的控制焊接规范参数，这样能更好的防止焊接变形和降低残余应力。采用随焊两侧加热和横向应变，纵向应变可以使得分布更加均匀，，对于变化有力缓冲。这样就可以起到减少焊接残余应力和变形的作用。随焊碾压法虽然可以提高焊接变形但是由于设备复杂，使用不方便，应用很少。不过随焊激冷法倒是能够很好的降低残余应力，也可以减少焊接变形。

焊接顺序是对焊接残余应力和焊接变形产生最大的影响因素。因为焊接的顺序不同可以改变残余应力的分布规律，但是不能降低残余应力的整体幅值，而且焊接顺序对于控制焊接变形有着很大的作用，如果能够在多道焊中使用，则效果更好。

2.2.3对于焊后的一些矫正措施

其实当构件焊接好以后，也只能使用矫正措施来减小已经发生的残余变形，或消除某些残余变形。焊后矫正的措施分为两部分：一部分是通过加热来矫正，另一部分就是机械的矫正法。加热矫正法有分为通过整体来进行加热和只对局部进行加热。

整体加热矫正顾名思义就是讲整个构件进行加热到锻造温度以上才能进行的矫正，这样可以消除大部分形状的偏差。但是此法的弊端就是在进行整体加热后会产生冶金方面的副作用，所以此法的运用相应的减少。

局部加热矫正的方法同常是用火焰对需要改变的焊接构件进行局部加热，从而材料通过高位进行的膨胀受到构件本事刚性的制约，产生了局部压缩性变冷，冷却后的收缩就相应的抵消了焊后部位的伸长变形，从而达到矫正的目的。同时也因为火焰加热法简单易用，因此运用比较广泛。

除了上述矫正法还有机械力或冲击能等矫正法，包括静力加压加压矫直方法、焊缝滚压法、锤击法等。

结论：

综上所述，钢结构在制造的过程中，焊接变形自然是不能避免的，而我们只能采用一些有效的方法和措施进行控制焊接的变形，同时也对超出要求的焊接变形进行有效的矫正，这样既可以保证钢质量的要求，也可以达到经济性的要求。

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