張冰冰,陶 李
(合肥合鍛智能制造股份有限公司,安徽 合肥 230601)
本文所述大型箱體結(jié)構(gòu)件指自身體積龐大、質(zhì)量重大、由碳素結(jié)構(gòu)鋼焊接而成的具有箱體結(jié)構(gòu)的零部件。隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展,大型箱體結(jié)構(gòu)件在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用,特別是在鍛壓行業(yè),絕大多數(shù)壓機(jī)的上下梁都采用此種結(jié)構(gòu)。
由于二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊(二保焊)具有焊接變形小,對水、鐵銹的敏感性不大,焊接過程操作方便,焊接速度快,生產(chǎn)效率高,有利于實現(xiàn)焊接過程中的機(jī)械化和自動化等特點,所以此類結(jié)構(gòu)件多采用二保焊進(jìn)行焊接。
焊接變形是焊接過程中因焊接工件受到不均勻的溫度場的作用而產(chǎn)生的形狀、尺寸變化。焊接變形不但可能引發(fā)工藝缺陷,而且在一定條件下將影響結(jié)構(gòu)的加工精度、尺寸穩(wěn)定性和承載能力。因此,控制焊接變形是工程中的一個重要問題。
在實際生產(chǎn)過程中,結(jié)構(gòu)件的焊接變形主要有收縮變形、彎曲變形和扭曲變形。具體焊接件會出現(xiàn)哪種變形,與焊接件的結(jié)構(gòu)、焊縫布置、焊接工藝及應(yīng)力分布等因素有關(guān)。
收縮變形是焊接變形的基本形式。焊縫的冷卻過程是焊縫由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過程,轉(zhuǎn)化過程中將產(chǎn)生焊接應(yīng)力和焊縫體積縮小的現(xiàn)象,從而導(dǎo)致焊后焊接件外形尺寸減小。收縮變形主要發(fā)生在簡單結(jié)構(gòu)的焊接件中。由于焊縫少、焊縫方向基本一致,使得各條焊縫收縮方向一致,焊后僅出現(xiàn)收縮變形,使得焊件外形尺寸減小。
彎曲變形是由多條焊縫的內(nèi)應(yīng)力和收縮變形結(jié)合的最終結(jié)果。主要是由于結(jié)構(gòu)上焊縫布置不對稱或焊接件斷面形狀不對稱,多條焊縫收縮不一致引起的變形。彎曲變形的大小用撓度f 進(jìn)行標(biāo)示,撓度f是指焊后焊件的中心軸偏離焊件原中心軸的最大距離。如圖1 所示,工件下方有焊縫,上方?jīng)]有,由于收縮不一致導(dǎo)致工件出現(xiàn)上拱彎曲變形。
圖1 焊接應(yīng)力導(dǎo)致的上拱變形
扭曲變形是大型結(jié)構(gòu)件焊接中最典型的焊接變形,由于此類結(jié)構(gòu)件多為箱體框架結(jié)構(gòu),焊縫布置不對稱,板件尺寸厚度不均勻,焊縫布置無規(guī)律,致使焊縫內(nèi)應(yīng)力的方向不一致,大小不均勻,焊接變形的位置和方向難以預(yù)測,最終出現(xiàn)扭曲變形。
一般來講,焊縫在設(shè)計時應(yīng)將焊縫的位置設(shè)計成均布焊縫,如果焊縫位置分布不均勻,焊縫密集區(qū)的焊接應(yīng)力大于稀疏區(qū)的應(yīng)力,就會使兩區(qū)域的焊接變形量不一樣,焊接應(yīng)力不能相互平衡。因此,設(shè)計焊縫時,應(yīng)使焊縫盡量對稱于構(gòu)件截面的中心軸或使焊縫接近中心軸,可減小彎曲變形。
一般來說,剛性大的結(jié)構(gòu)件,焊接變形??;結(jié)構(gòu)剛性小的構(gòu)件,焊接變形大。結(jié)構(gòu)剛度取決于結(jié)構(gòu)件截面的形狀和尺寸,因此在箱式結(jié)構(gòu)件鉚裝焊接時要考慮整體的剛度。
焊縫越長焊接變形就越大;坡口尺寸越大,變形就越大;裝配間隙越大,焊接變形也越大。焊接時,應(yīng)在滿足技術(shù)要求的前提下,選擇坡口尺寸較小的焊縫。對于裝配間隙大的結(jié)構(gòu)件可采用中間加筋板的形式來減小焊接變形。
不同的焊接順序焊后將產(chǎn)生不同的變形量,在施焊時總體上應(yīng)遵循的原則是焊縫對稱時,應(yīng)采用對稱焊接,焊縫不對稱時,應(yīng)先焊焊縫少的一側(cè)。在焊接時還應(yīng)采取下列焊接技巧方法:(a)分段退焊法;(b)分中段退焊法;(c)分段跳焊接法;(d)交替焊法;(e)分中對稱焊接。如圖2 所示。
圖2 不同焊接順序的對接焊縫示意圖
焊接中,同樣的焊件,同樣的焊工,焊接工藝參數(shù)不同所產(chǎn)生的焊接變形也不同。單層焊、大電流、焊條移動速度慢、擺動幅度大、停留時間長,所產(chǎn)生的變形要大一些;而多層和多道焊,小電流、快速、焊條不擺動,則焊后變形小,因此在焊接時要根據(jù)焊件的結(jié)構(gòu)情況采用合適的焊接參數(shù)。
如圖3 所示箱體式結(jié)構(gòu)件是某行業(yè)常見結(jié)構(gòu)形式,通常由底板、頂板、中間腹板、加強(qiáng)筋板、四周圍板以及周圍的一些搭子組成。根據(jù)以上焊接變形的影響因素,分別從設(shè)計角度和工藝角度制定了下列控制焊接變形的措施。
圖3 某行業(yè)中很常見的組焊件結(jié)構(gòu)形式
(1)設(shè)計角度控制措施:盡量把結(jié)構(gòu)設(shè)計成對稱結(jié)構(gòu),焊接位置對稱分布。
(2)工藝角度控制從以下幾個方面進(jìn)行:①能開雙面坡口的盡量開成雙面坡口,減小焊接量,這樣既可以減小焊接變形,又能提高焊接質(zhì)量;②鉚裝時盡量使結(jié)構(gòu)件的剛度增大后再進(jìn)行焊接,因此安排了下面的裝配順序:第一步先以底板為底,在底板上依次裝件11、件9、件6、件8、件20、件10、件19后,蓋上頂板(件5),點焊固定。組成一個剛性比較大的整體后,然后再焊接,這樣焊接時由于結(jié)構(gòu)對稱,焊接內(nèi)應(yīng)力可以相互牽制,焊接變形就會比較?。虎酆附硬僮鲿r,由不同的焊工在對稱位置施焊,采用分段退焊和分段跳焊的方式施焊,焊縫不要一次性焊滿,通過多次翻轉(zhuǎn)焊接來減小焊接變形;④通過多次翻轉(zhuǎn),使焊接位置處在水平位置焊接(平焊)。打底時選用小電流,用?1.2 的焊絲打底,用?1.6 的焊絲進(jìn)行填充、蓋面。
采用以上一系列防變形措施后,焊接后的結(jié)構(gòu)件變形控制良好。
焊接變形本身是很復(fù)雜的課題。由于大型結(jié)構(gòu)件的尺寸和自身質(zhì)量大、焊縫分布復(fù)雜,控制大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形就更加困難,而且大型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)成本較高,只有降低產(chǎn)品的報廢率,才能提高產(chǎn)品生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。因此控制大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形就顯得更為重要。