大型焊接结构件应力及变形控制工艺

大型焊接结构件应力及变形限制工艺摘要：为有效限制钢结构因焊件的不匀称膨胀和收缩而造成的焊接变形，对大型结构件焊接变形的种类和变形缘由，焊接变形和焊接应力的各种影响因素进行分析，为了有效限制大型焊接结构件的焊接应力及变形、提高产品质量和合格率，提出了相应的限制措施。关键词：大型结构件；焊接应力；焊接变形；限制工艺序言大型结构件在实际生产中是指体积浩大、自身质量大、由结构钢焊接而成的零部件，随着机械工业的

发展，大型结构件在工业生产中被广泛应用。在工程机械产品中，大型结构件是产品的骨骼．如挖掘机的

中间架、履带架、斗杆、伸长臂和铲斗等都是由大量尺寸与规格不等的钢板焊接一起而成的结构件。

大多数结构件在焊后需经机加工才能运用．所以对焊接后的部分尺寸精度和位置精度的要求比较高。

但是由于生产时焊缝比较多，且结构困难、焊接量较大，简洁发生扭曲变形，假如变形量不能限制在肯定的范围内，则3组销轴孔在镗削加工

时就会因没有余量而无法加工，造成产品报废。因而，急需采纳合理的方法予以限制。1焊接应力与变形产生的缘由影响焊接应力与变形的因素许多，如焊件受热不匀称焊缝金属的收缩金相组织的改变及焊件刚性与拘束的影响，其最根本缘由是焊件受热不匀称。在焊接过程中，对焊件进行局部不匀称加热，焊后金属冷却沿焊缝收缩时，受到焊件低温部分的阻碍，因

此整个工件纵、横向尺寸有肯定量缩短。假如在焊接过

程中，焊件能够较自由的伸缩，则焊后焊件的变形较

大，而焊接应力较小；反之，假如焊件厚度或刚性较大

不能自由伸缩，则焊后变形较小而焊接应力较大。

圆筒形工件环焊缝焊接以后产生切向焊接应力，其

应力大小与圆简直径D、工件厚度6有关，直径越大，

厚度越厚则焊接应力也越大。

1.1加热时引起应力与变形的缘由1.1.1匀称加热时的应力与变形

受约束的杆件，假如加热温度较低，材料的变形在弹性范围内，则在加热过程中杆件的变形全部为弹性变形，杆件存在压应力的作用。受约束杆件的变形属于非自由变形，既存在外观变形，也存在内部变形。依据虎克定律，应力与应变符合线性关系，当温度复原到原始温度时，杆件自由收缩到原来的长度，压应力全部消逝，即不存在残余应力与残余变形。假如加热温度比较高，达到或超过材料屈服点温度时，杆件的压缩变形量增大，产生塑性变形，此时的内部变形率由弹性变形率和塑性变形率两部分组成。当温度复原到原始温度时，弹性变形部分复原，塑性变形部分不能复原。1.1.2不受约束的杆件匀称加热.属于自由变形，无残余应力，无残余变形。1.2

不匀称加热时引起的应力与变形主要有长板条中心加热引起的应力与变形和长板条一侧加热引起的应力与变形1.3

工艺制定不合理引起的应力与变形焊接工艺的制定是焊接件特殊是大型结构件生产的重点和难点，它不仅影响着产品的生产效率，更重要的是干脆影响着产品的质量。焊接工艺中的许多环节都对焊接变形有着至关重要的影响．如焊接设备的选择、焊接参数的选定、焊

接依次的制定、工装夹具的选用等，在制定焊接工艺

时都须要细致、细致考虑，所以说制定一个好的焊接

工艺不仅须要丰富的理论学问，还须要丰富的焊接生产阅历。

1.4

结构设计不合理引起的应力与变形结构件的设计不合理是焊接件焊接变形的一个主要缘由，焊接时易出现不匀称膨胀，焊缝冷却时呈现不匀称收缩．从而产生困难的焊接应力和焊接变形。结构设计中焊缝数量多、焊缝截面大、焊缝位置不对称都会使焊接变形加大。

2.焊接应力与变形的限制措施

削减焊接应力与变形的措施，应按焊接结构的详细

状况来确定。例如，焊接厚度较大的钢板或补焊刚性较

大的铸件缺陷时，焊件不宜变形而是产生较大应力，此

时就要设法减小或消退焊接应力，以防止裂缝的产生；

当焊接厚度不大的低碳钢板时，焊件易变形而焊接应力

较小，此时则须要实行预防变形的措施，使构件获得所

须要的形态和尺寸。2.1

焊接应力的限制措施

构件焊接时产生瞬时内应力，焊接后产生残余应力，并同时产生残余变形，这是不行避开的现象。焊接变形的矫正费时费工，构件制造和安装企业首先考虑的是限制变形，往往对限制残余应力较为忽视，常用一些卡具、支撑以增加刚性来限制变形，与此同时事实上增大了焊后的残余应力。对于一些本身刚性较大的构件，如板厚较大，截面本身的惯性矩较大时，虽然变形会较小，但却同时产生较大的内应力，甚至产生裂纹。因此，对于一些构件截面厚大，焊接节点困难，拘束度大，钢材强度级别高，运用条件恶劣的重要结构要留意焊接应力的限制。限制应力的目标是降低其峰值使其匀称分布，其限制措施有以下几种：

减小焊缝尺寸焊接内应力由局部加热循环而引起，为此，在满意设计要求的条件下，不应加大焊缝尺寸和层高，要转变焊缝越大越平安的观念。

减小焊接拘束度拘束度越大，焊接应力越大，首先应尽量使焊缝在较小拘束度下焊接，尽可能不用刚性固定的方法限制变形，以免增大焊接拘束度。

实行合理的焊接依次在焊缝较多的组装条件下，应依据构件形态和焊缝的布置，实行先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝的原则。

降低焊件刚度，创建自由收缩的条件。

锤击法减小焊接残余应力在每层焊道焊完后马上用圆头敲渣小锤或电动锤击工具匀称敲击焊缝金属，使其产生塑性延长变形，并抵消焊缝冷却后承受的局部拉应力。

但根部焊道、坡口内及盖面层与母材坡口面相邻的两侧焊道不宜锤击，以免出现熔合线和近缝区的硬化或裂纹。高强度低合金钢，如屈服强度级别大于345MPa时，也不宜用锤击法去除焊接残余应力。2.1.6采纳抛丸机除锈通过钢丸匀称敲打来抵消构件的焊接应力。2.2

焊接变形的限制措施在实际生产中，大型结构件特殊是工程机械中的大型结构件的结构和焊缝布置要比教科书和一些相关技术资料上所叙述的困难得多。不同的焊接件由于外形、焊缝数量、布置及尺寸不一样，焊接变形的变形方式和变形量也不一样，实行的焊接变形限制措施也各不相同。但是总的来说，对于大型结构件的焊接变形限制方法来说。除了在结构设计上要遵循焊缝数量尽量少、焊缝截面尽量小、焊缝位置要对称的三原则外，大多采纳工艺参数法、工装模具法、反变形法或者3种方法的综合运用来有效地限制大型结构件的焊接变形。全面分析各因素对焊接变形的影响，驾驭其影响规律，即可实行合理的限制措施。

焊缝截面积的影响

焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一样的，而且是起主要的影响，因此，在板厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。

焊接热输入的影响

一般状况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大。

焊接方法的影响

多种焊接方法的热输入差别较大，在建筑钢结构焊接常用的几种焊接方法中，除电渣以外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝断面积等相同状况下，收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体爱护焊最小。

接头形式的影响

在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方面等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。

1)表面堆焊时，焊缝金属的横向变形不但受到纵横向母材的约束，而且加热只限于工件表面肯定深度而使焊缝的收缩同时受到板厚、深度、母材方面的约束，因此，变形相对较小。

2)T形角接接头和搭接接头时，其焊缝横向收缩状况与堆焊相像，其横向收缩值与角焊缝面积成正比，与板厚成反比。

3)对接接头在单道(层)焊的状况下，其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大，在单面焊时坡口角度大，板厚上、下收缩量差别大，因而角变形较大。

双面焊时状况有所不同，随着坡口角度和间隙的减小，横向收缩减小，同时角变形也减小。

焊接层数的影响

1)横向收缩：在对接接头多层焊接时，第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律，第一层以后相当于无间隙对接焊，接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相像，因此，收缩变形相对较小。

2)纵向收缩：多层焊接时，每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入小得多，加热范围窄，冷却快，产生的收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束，因此，多层焊时的纵向收缩变形比单层焊时小得多，而且焊的层数越多，纵向变形越小。在工程焊接实践中，由于各种条件因素的综合作用，焊接残余变形的规律比较困难，了解各因素单独作用的影响便于对工程详细状况做详细的综合分析。所以，了解焊接变形产生的缘由和影响因素，则可以实行以下限制变形的措施：1)减小焊缝截面积，在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下，尽可能采纳较小的坡口尺寸(角度和间隙)。

2)对屈服强度345MPA以下，淬硬性不强的钢材采纳较小的热输入，尽可能不预热或适当降低预热、层间温度；优先采纳热输入较小的焊接方法，如CO2气体爱护焊。

3)厚板焊接尽可能采纳多层焊代替单层焊。

4)在满意设计要求状况下，纵向加强肋和横向加强肋的焊接可采纳间断焊接法。

5)双面均可焊接操作时，要采纳双面对称坡口，并在多层焊时采纳与构件中和轴对称的焊接依次。

6)T形接头板厚较大时采纳开坡口角对接焊缝。

7)采纳焊前反变形方法限制焊后的角变形。

8)采纳刚性夹具固定法限制焊后变形。

9)采纳构件预留长度法补偿焊缝纵向收缩变形，如H形纵向焊缝每米长可预留0.5ｍｍ～0.7ｍｍ。

10)对于长构件的扭曲，主要靠提高板材平整度和构件组装精度，使坡口角度和间隙精确，电弧的指向或对中精确，以使焊缝角度变形和翼板及腹板纵向变形值与构件长度方向一样。

11)在焊缝众多的构件组焊时或结构安装时，要实行合理的焊接依次。

12)设计上要尽量削减焊缝的数量和尺寸，合理布置焊缝，除了要避开焊缝密集以外，还应使焊缝位置尽可能靠近构件的中和轴，并使焊缝的布置与构件中和轴相对称。2.3削减大型结构件焊接变形的工艺对策大型结构件是工程机械产品的骨骼，也是厂家设计水平的体现和制造水平的反映。由于结构件在承载实力、外观造型及实现产品功能上的重要作用，在工程机械产品的设计和制造中应特殊予以重视。大型结构件因为体形浩大，焊接部位多，部分尺寸精度和位置精度要求较高，支承起来难度较大，尤其是整体变形问题，始终是困扰工艺人员的一大难题。本文主要结合中外建发展股份有限公司生产的平地机、装载机典型结构件的工艺实际，对大型结构件的焊接变形态况和缘由进行了分析，并提出了一些限制变形的工艺对策。2.3.1大型结构件变形的典型实例及危害a:ＰＹ１６０Ｃ型平地机后机架的变形后机架是PY160C型平地机最大的结构件（见图1），该件外形尺寸为3300mm×1100mm×800mm，由72个零件组成，属于框架特征的大型结构件，其制造方式为多个零件上胎合拢、拼点，然后焊接而成。该件在整机装配时需与发动机、变速器、司机室、驱动桥等部件相连接，其工艺要求为：基础面平面度≤3mm，扭曲度≤5mm，垂直度≤2.5mm。按传统方式焊接后，一般状况下变形为：扭曲度10～30mm，平面度5～8mm，垂直度5～10mm，横向孔组的中心距超差，如后桥安装距720mm±0.5mm，焊后变为720mm2mm。虽在焊后经过整形工序，但变形量相对装配要求仍旧偏大，造成该件返修率较大，以致后来采纳“配焊”、“垫板调整”等落后工艺进行调整。b:ＺＬ５０Ｃ型装载机动臂的变形该件为H形大型结构件（见图2），外形尺寸为2800mm×1200mm×800mm，制造方式为支座组件与两动臂板合拢后进行大截面角缝焊接。其焊接方式为３层６道焊缝连续焊接。该件是装载机作业时铲斗运动的关键支撑件，其工艺规程要求尺寸ａ与ｂ相对中心线的对称度为1.5mm；A、B、C、D各组孔的中心线平行度为Φ1.0mm；各组孔同轴度为Φ0.5mm。按上述方式焊接后主要变形为支座出现旁弯，通常引起尺寸ｂ偏小8～15mm，尺寸ａ与ｂ对称度超差1.5～2mm，尺寸ａ与ｂ各自的中心线不平行，两中心线出现２°～３°的夹角，造成动臂变形，长时间作业时整机会出现铲斗失稳现象。2.3.2结构件变形的理论分析工程机械结构件主要是由冷、热轧钢板、型钢及它们的成形件装焊而成，材质主要为低合金结构钢。从结构件制造工艺来看，造成大型结构件变形的缘由，主要来自三个方面：即焊接热应力、残余应力和外力。a:焊接热应力变形工件在焊接过程中，对金属材料是一种不匀称的加热和冷却。焊接时，加热的热源是移动的高温电弧，焊缝和热影响区金属温度很高，金属受热膨胀，但又受到常温金属的阻碍和抑制，便产生了压缩塑性变形。结构件的焊接变形程度与施焊时热源的输入能量成正比。b:残余应力变形残余应力主要为焊接残余应力和成形加工残余应力，当工件某一部位施焊结束后，其焊缝金属由膨胀转为收缩，但其又受到常温金属的限制，这时便产生了焊接残余应力。成形加工残余应力主要是因为工件受工艺性外力而引起，如工件自由弯曲成形时不得法；钢板校平辗压次数少；机加工吃刀量过大等等都能引起成形加工残余应力。c:外力引起的变形主要指组装、焊接过程中由磕、碰、摔、撞或过载引起的异样变形。结合对引起变形应力的理论分析，可知前述PY160C型平地机的后机架变形是上百条焊缝的焊接综合变形。ZL50C型装载机动臂变形则是典型的大热场焊缝产生的焊接热应力变形，该件的动臂板厚度为50mm，由于在施焊时焊接热影响区的温度可达85０℃，随着加热部位金属发生相变，便产生了残余应力，它残存在母材中，不但引起构件变形还将影响构件的运用性能和质量。2.3.3克服结构件变形的工艺措施a:平地机后机架的变形订正传统方法采纳火焰加外力来解决PY160C型平地机后机架的扭曲变形。把该件平放在工作平台上，将其两个角或三个角垫起，并使其与工作台紧固，用火焰加热应力集中区域，再用机械方法拉动悬空的角，以达到矫正扭曲的目的。但是当我们在矫正其它次要变形时，扭曲变形又重新出现。这种反复矫正的方法，不但耗费了大量的人力、物力而且仍会使工件产生新的残余应力，留下了产品后期变形的潜在危急。通过不断的实践探究，我们对后机架的工艺进行了重新审定，实施了一套“先部件，后总成”的治本之路，即将整个后机架分为轴承座、左梁、右梁三个部件，每个部件下又分若干次部件，再下一层是零件，装焊并整形的次序是：零件→次部件→部件→后机架总成。这种方法事实上是把后机架一次焊接所承受的全部热量与变形，分散到前序逐级减弱，并分部件进行矫正变形，以削减总装后的变形。按此种工艺制作的后机架变形很小，由于我们根除了最严峻的扭曲变形，使该件整形时特别轻松地达到了图纸要求。b:克服装载机动臂总成的变形我们从三方面实行措施来克服动臂的焊接变形：首先是实行增加约束的方法来限制动臂的变形，即在距支座200mm处设置两个可调支杆，从两边顶住两动臂板，以限制动臂板焊接时往里变形；其次是削减焊接线能量，对于截面积为200mm2的焊缝实行4层12遍交替焊接的工艺，如图3所示，图中序号为施焊次序。采纳手工CO2气爱护电弧焊，这一措施对削减动臂的变形收到较好的效果；第三，实行经济、简便的火焰矫正法。其操作方法是：用气焊焊枪加热，采纳碳化焰，在与支座和动臂板的焊缝相对应的动臂板外侧，自上而下呈线状逐步加热，加热速度为3～5mm/min，加热温度为750～800℃，冷却时用清水自下而上进行，当尺寸ｂ的变形量大于10mm时，加热宽度为10～20mm，加热深度为15～20mm；当变形量小于10mm时，加热宽度为10～15mm，加热深度为10～15mm。采纳以上方法，动臂形位公差与尺寸均能达到标准要求。2.3.4削减大型结构件变形的工艺对策工程机械大型结构件要比一般教科书或技术资料中