蒲江涌，胡新，秦雪飛，何俊杰，2，金鑫，2，趙樹理

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司；2.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721000）

在當(dāng)前的工程機(jī)械領(lǐng)域中，復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工中焊接施工技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，大型結(jié)構(gòu)件加工產(chǎn)量能占到全球鋼產(chǎn)量的45%左右。在世界工業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，焊接結(jié)構(gòu)件發(fā)揮著十分重要的作用。相較其他的加工方式，大型結(jié)構(gòu)件加工中應(yīng)用焊接方式在有效控制材料消耗的同時(shí)，也能在復(fù)雜、高難度結(jié)構(gòu)件中體現(xiàn)出較強(qiáng)的加工工藝優(yōu)勢(shì)。雖然目前結(jié)構(gòu)件的焊接施工工藝已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但是，在實(shí)際進(jìn)行焊接施工的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)件經(jīng)常會(huì)因焊接殘余應(yīng)力等導(dǎo)致出現(xiàn)變形，成品結(jié)構(gòu)件的加工制造質(zhì)量也會(huì)受到嚴(yán)重影響。因此，針對(duì)工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件焊接工藝以及變形因素進(jìn)行系統(tǒng)性分析具有重要實(shí)踐意義。

1 工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接變形種類

工程機(jī)械在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中由于焊接件自身結(jié)構(gòu)、焊縫位置、焊接工藝以及結(jié)構(gòu)件應(yīng)力分布等多種因素的影響，導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)件的實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)收縮變形、彎曲變形、扭曲變形等幾種類型。

1.1 收縮變形

對(duì)于結(jié)構(gòu)件的焊接施工來(lái)說(shuō)，收縮變形是焊接變形的基礎(chǔ)單元，結(jié)構(gòu)件焊接施工后在焊縫的冷卻過(guò)程本質(zhì)上是液態(tài)向固態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)化的一個(gè)過(guò)程，在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，焊縫本身也會(huì)出現(xiàn)體積縮小，導(dǎo)致焊接件外形尺寸會(huì)出現(xiàn)變小的現(xiàn)象。簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)件在進(jìn)行焊接施工的過(guò)中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生收縮變形，且大部分簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)件的焊縫相對(duì)較少，焊縫方向基本保持一致，在焊縫冷卻的過(guò)程中收縮方向也基本一致，在這種情況下，出現(xiàn)收縮變形會(huì)導(dǎo)致焊接件的外形尺寸產(chǎn)生較大變化。

1.2 彎曲變形

如果結(jié)構(gòu)件加工過(guò)程中存在多條焊縫，在焊接施工后，由于存在內(nèi)應(yīng)力以及收縮變形等作用就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生彎曲變形，焊接件通常情況下是在外形相對(duì)細(xì)長(zhǎng)且橫截面上下尺寸存在較大差異或者焊縫分布不均勻、不對(duì)稱等情況，在焊接施工中如果焊接次序安排不合理，同樣會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生彎曲變形。

1.3 扭曲變形

在工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件的焊接施工中，扭曲變形是最常見(jiàn)的一種焊接變形形式，對(duì)結(jié)構(gòu)件的影響最突出，大型結(jié)構(gòu)件通常情況下都是框架結(jié)構(gòu)形式，因此在焊接施工中一旦出現(xiàn)板材尺寸不均勻、焊縫布局不對(duì)稱或者無(wú)規(guī)律等問(wèn)題的情況下，非常容易導(dǎo)致焊縫內(nèi)部應(yīng)力出現(xiàn)方向不一致、內(nèi)應(yīng)力大小不均衡的問(wèn)題。此時(shí)，很難憑借經(jīng)驗(yàn)對(duì)焊接件變形的位置和方向進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，最終會(huì)引發(fā)扭曲變形。

2 大型結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生焊接變形的原因分析

結(jié)構(gòu)件一旦產(chǎn)生焊接變形后，不僅會(huì)對(duì)產(chǎn)品外觀造成影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)產(chǎn)品使用性能產(chǎn)生影響，變形量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致焊接件直接報(bào)廢，進(jìn)而給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，在工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件焊接加工中這一問(wèn)題的表現(xiàn)更為突出。大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形要想得到有效控制，首先必須針對(duì)引發(fā)變形的具體原因進(jìn)行深入分析，這樣才能采取有針對(duì)性的控制方法。工程機(jī)械焊大型結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生焊接變形的過(guò)程非常復(fù)雜，但是通常情況下，是受到焊接應(yīng)力、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、焊接工藝不合理等因素的影響所致。

（1）焊接應(yīng)力的影響。結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生焊接變形根源在于焊接應(yīng)力。結(jié)構(gòu)件上的每條焊縫都會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生具有一定大小和方向的焊接應(yīng)力，結(jié)構(gòu)件焊接過(guò)程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力大小會(huì)隨著焊縫結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性而產(chǎn)生變化，焊縫結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的情況下，越難預(yù)測(cè)焊接應(yīng)力的大小和方向，因此，在焊接過(guò)程中也非常容易產(chǎn)生不均勻膨脹等現(xiàn)象，焊接施工后，焊縫冷卻的過(guò)程中的收縮也會(huì)體現(xiàn)出不均勻性，在這種情況下，焊接應(yīng)力以及焊接變形也會(huì)變得更加復(fù)雜。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。如果結(jié)構(gòu)件在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)存在不合理，也非常容易導(dǎo)致焊接件產(chǎn)生較大焊接變形，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中如果過(guò)多設(shè)計(jì)焊縫數(shù)量，焊縫設(shè)計(jì)截面越大，焊縫位置存在不對(duì)稱等問(wèn)題的情況下都會(huì)導(dǎo)致較大的焊接變形出現(xiàn)。

（3）焊接工藝不合理。結(jié)構(gòu)件制作過(guò)程中一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題就是指定合理的焊接施工工藝，焊接工藝合理性不僅會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響，而且也會(huì)對(duì)焊接施工效率造成影響。結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的很多焊接變形在很大程度上都與焊接工藝存在直接關(guān)聯(lián)，例如，焊接工藝指定過(guò)程中的焊接設(shè)備選擇、焊接參數(shù)指定、焊接順序設(shè)計(jì)、選擇焊接工裝夾具等都是導(dǎo)致焊接變形的直接因素，因此，在針對(duì)大型結(jié)構(gòu)件指定焊接工藝的過(guò)程中要對(duì)焊接施工工藝的選擇進(jìn)行充分考慮，對(duì)于焊接工藝設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，要想指定出合理的焊接施工工藝，不僅要具備豐富的理論知識(shí)，同時(shí)，還要具備豐富的焊接施工經(jīng)驗(yàn)。

3 焊接施工變形控制措施

從大型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)實(shí)際可以發(fā)現(xiàn)，一些工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件的焊縫布置往往要比資料文獻(xiàn)中的描述復(fù)雜的多。由于大型結(jié)構(gòu)件外形尺寸、焊縫數(shù)量、焊縫布置當(dāng)時(shí)等都會(huì)存在一定差異，因此，在焊接施工后產(chǎn)生的焊接變形量以及變形方式也會(huì)存在較大差異，針對(duì)不同焊接變形需要采取不同的方式進(jìn)行有效控制。從總體上看，要想實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件焊接變形的有效控制，不僅都需要在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)對(duì)的焊縫數(shù)量、焊縫截面進(jìn)行有效控制，同時(shí)，也要盡可能在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)保持焊縫位置的對(duì)稱性。

3.1 工藝參數(shù)法

在結(jié)構(gòu)件焊接應(yīng)力以及焊接變形的控制中焊接工藝參數(shù)法屬于最常用的一種方法。針對(duì)大型結(jié)構(gòu)件的焊接工藝布置和參數(shù)選用需要從以下幾個(gè)方面著手：

（1）首先要對(duì)焊接施工的熱輸入進(jìn)行控制，例如，可以選擇多層焊或者二氧化碳保護(hù)焊等，在焊接施工過(guò)程中也要盡可能采取跳焊或者分段焊接的方法。

（2）保證焊接順序合理性，針對(duì)大型結(jié)構(gòu)件要盡可能采取由內(nèi)而外、從中間向兩端、先短后長(zhǎng)的對(duì)稱焊接方式，這樣才能保障焊接過(guò)程中工件保持均勻受熱。

（3）針對(duì)不同材質(zhì)構(gòu)件的焊接要提前進(jìn)行預(yù)熱，焊接施工后要及時(shí)進(jìn)行回火處理，這樣才能有效消除焊接應(yīng)力。

（4）在焊接過(guò)程中，要以工件材質(zhì)、板材厚度、焊接位置、焊縫類型等為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接施工工藝參數(shù)的合理選擇，同時(shí)要對(duì)焊接施工中的電流輸出進(jìn)行有效控制，以此實(shí)現(xiàn)焊接熱輸入的有效控制。

3.2 施工工裝模具

在工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件的焊接施工過(guò)程中工裝模具的作用非常重要，通過(guò)應(yīng)用工裝模具不僅能全面提升焊接施工效率，而且焊接作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度也能得到有效緩解，同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)件的焊接變形也能起到有效控制作用。結(jié)構(gòu)件焊接施工中的工裝模具主要有以下幾點(diǎn)。

（1）搭焊平臺(tái)。在大型結(jié)構(gòu)件施工過(guò)程中，搭焊和焊接屬于兩個(gè)主要工藝流程，大型結(jié)構(gòu)件的各個(gè)零部件焊接前在工件中的位置主要是通過(guò)搭焊來(lái)實(shí)現(xiàn)固定，將各個(gè)零部件按照片間點(diǎn)焊的方式固定后形成一個(gè)比較牢固的框架結(jié)構(gòu)，相較平面結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)的焊接變形承受能力更高，因此，也能實(shí)現(xiàn)焊接件焊接施工中抗變形能力的有效提升。為保障搭焊過(guò)程中各零件之間的相互位置，全面提升焊接工件的尺寸精度以及位置精度，在焊接施工中，通常需要將工件整體放置在搭焊平臺(tái)上進(jìn)行搭焊，圖1為某大型結(jié)構(gòu)件搭焊平臺(tái)。

圖1 某大型結(jié)構(gòu)件搭焊平臺(tái)

（2）焊接變位機(jī)。由于工程機(jī)械的焊接外形尺寸以及自重都比較大，因此，焊接施工過(guò)程中的位置調(diào)整難度非常大。為了保障大型結(jié)構(gòu)件焊接施工過(guò)程中國(guó)的生產(chǎn)效率和焊縫質(zhì)量，可以充分利用焊接變位機(jī)來(lái)結(jié)合工件焊接施工中得空間位置變化來(lái)及時(shí)調(diào)整工件焊縫位置，這樣才能保障焊接施工施工出于對(duì)最佳焊接狀態(tài)，進(jìn)而有效提升焊縫質(zhì)量和焊接工藝性。下圖2為焊接變位機(jī)。

圖2 焊接變位機(jī)

（3）焊接夾具。在焊接工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)因領(lǐng)邊自重過(guò)大以及焊接應(yīng)力等作用的影響而導(dǎo)致位置固定難度大，針對(duì)這種情況不僅可以利用搭焊平臺(tái)進(jìn)行固定，同時(shí)，也可以利用夾具來(lái)有效夾緊零部件，進(jìn)而全面提升焊接工件的抗變形能力。因此，在工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件的焊接施工過(guò)程中，也可以利用專用夾具或者通用夾具來(lái)保障焊接施工精度和施工可靠性。

（4）反變形法。結(jié)構(gòu)件焊接施工過(guò)程中，焊縫冷卻會(huì)導(dǎo)致收縮，焊接后工件的外形尺寸也會(huì)相應(yīng)變小，為了有效避免因此焊接施工導(dǎo)致的變形量，進(jìn)行工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件焊接施工中也經(jīng)常會(huì)應(yīng)用反變形法。反變形法是在焊接前提前制作一個(gè)變形，并保障該變形量與焊接后工件的變形量基本相等，且變形方向相反。

4 結(jié)語(yǔ)

大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形本身非常復(fù)雜，而且工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)的自重以及外形尺寸都比較大，焊接施工中存在焊縫分布復(fù)雜，因此工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件焊接變形的控制難度非常大，且由于生產(chǎn)成本較高，一旦出現(xiàn)產(chǎn)品報(bào)廢必然會(huì)給企業(yè)帶來(lái)巨大損失，由此可見(jiàn)，工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形控制具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文中對(duì)幾種常見(jiàn)工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件焊接變形控制方法進(jìn)行探討，在大型結(jié)構(gòu)件的焊接施工中通過(guò)上述幾種變形控制方法的應(yīng)用可以有效提升生產(chǎn)效率，同時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)焊接變形的有效控制，進(jìn)而全面提升工程機(jī)械成品的合格率。