结构件的焊接工艺与变形探讨

王冬 杨静

【摘要】在油田的设备加工制作中，需要大量的结构件焊接，焊接的过程中会存在焊接应力及变形，本文主要是讨论结构件的焊接工艺，以及减少焊接变形的具体措施。

【关键词】焊接工艺 应力 变形

在油田设备的制作加工中，需要进行大量的结构件焊接，焊接结构相对于其他的加工方式有生产工艺简单、节省材料、制作周期短等多方面优点，而且对于特定的结构形状，可以达到别的加工方法无法完成的结构。由于焊接过程中存在的残余应力和焊接变形，会直接影响到产品的质量，本文主要是通过研究探讨结构件的焊接工艺及相关变形问题，来努力提高企业在结构件焊接的工艺水平，实现更大的经济价值。

1 结构件的焊接工艺

结构件的焊接工艺是保证产品质量的重要途径，直接影响了焊接的质量和结构件的稳定性。焊接工艺主要包括型材的预处理、下料、焊接方法、材料、设备以及辅助材料、工具等。

1.1 型材的预处理及下料

为了保证焊接的质量，在焊接前必须进行型材的预处理，除去金属表面附着的油污、锈、氧化皮和灰尘等，以免出现夹渣、气孔等焊接缺陷，同事提高金属表面的耐腐蚀性和粗糙度，利于后续喷漆等操作。型材的预处理分为化学处理和机械处理，化学处理如酸洗，机械处理有喷丸法、抛丸法和人工打磨等，具体需要根据工件的要求来制定。结构件的下料分为热切和冷切。热切有火焰切割、光能切割和电能切割，冷切有剪切和冲裁两种。对于油田特种设备的生产过程中，使用最多的热切是数控火焰切割，这种方式能在切割质量和变形方面有很好的控制，其高精度和效率的提高，且不需要经过二次拼焊，提高了工作效率和产品质量。

1.2 焊接方法与设备

结构件的焊接常采用气体保护焊进行焊接，一般有二氧化碳保护焊和混合气体保护焊，混合气体为90%氩气和10%二氧化碳。混合气体保护焊可加强焊接电弧和熔池深度，减少了焊接飞溅和焊接后的打磨工作量，保证了焊接的质量。由于焊接的特殊性，结构件的焊接会、就不可避免的出现变形，应对此类变形多采取拼焊定位工装，制定合理的焊接顺序和走向，还可在焊接前加工工件使其反方向变形，与焊接应力变形后中和后保证产品到达技术要求。在焊接的方法上，主要采取以下常用工艺：尽量减少焊道的数量；焊缝的布置相对于零件的中心线对称；较厚的板采取双面焊；结构件拼焊时定位基准和零件的设计基准保持一致。

1.3 焊接材料

结构件焊缝的性能质量直接由焊接材料的性能和化学成分决定，焊接材料的选用原则是焊缝金属的性能高于或等于母材的性能，对于一些特殊焊接还需要考虑材料的焊接性能。如结构件为压力容器时，焊材的选用还需要依据压力容器标准以及制造工艺、使用环境等。

1.4 焊接的辅助及质量保证

在焊接的过程中选用不同的焊接辅助材料和工具就能有效的提高工作效率和产品质量。针对板材和圆形结构件等采用不同的辅助工具，如十字操作架和变位机等，能方便操作者的焊接，降低劳动强度，提高焊接质量。结构件的形式多样化，虽然采用了必要的质量控制措施和先进的焊接工艺，但是还是会出现一些焊接缺陷，成品中会存在一定的咬边、气孔、夹渣等，所以在焊接完工后需要对工件进行检测，有问题的工件及时返工，对于不重要部件，可做适当的打磨来保证外观后转入下道工序，对于重要的焊缝，需要进行超声波探伤等无损检测来确保焊缝质量。

2 结构件变形的相关讨论

焊接结构件的过程中由于不均匀的加热和冷却就形成了应力和变形，熔池金属的冷却过程中液态到固态的变化以及温度的降低会使得焊缝收缩，也是应力和变形产生的因素之一。焊接变形就会给后期的装配工作带来影响，这就需要在焊接过程中做好变形量的控制，以下主要是从焊接件材料选择和设计合理的焊接结构方面来讨论减少变形的方法。

2.1 选用合理的焊接件材料

焊接件的材料决定了结构件的质量。对于焊接件材料的选择，首先要根据结构件的受力情况、工作条件以及相关设计要求。主要是从以下几个方面考虑

（1）尽量选用同种材料。结构件的制作一般是多个零件和构件通过焊接而形成，考虑到焊接过程中的一些工艺，选择同样的结构件材料就能利于材料的采购、焊接方法和焊材选择、焊接工艺的制定。实际生产中，出于成本考虑，还需尽量减少贵重金属的使用，这就需要综合考虑结构件对焊接质量要求以及相关成本控制。

（2）选用焊接性能好的材料。对于结构件的材料选择时，需要从材料的强度、结构件的工作条件等方面考虑。在满足这些性能后，尽量选用焊接性能好，且适合生产现场焊接方法。在材料满足焊接方法普通和焊接性能好的前提下，需要考虑经济性。选用价格低、供应充足易采购的材料，降低成本的同时对于材料的短缺也容易得到补充，有利于提高产品的竞争力。

2.2 设计合理的焊接件结构

焊接件结构稳定及形变的关键是结构設计，这也关系到焊接结构件的强度、寿命等问题，提高焊接结构设计可以从以下几个方面来提高。

（1）减少焊缝的数量 结构件由多个零部件焊接而成，在结构件的设计过程中，需要尽量减少零件的数量来减少焊缝数量。这样就从本质上减少了焊接应力的产生，提高结构件的强度。

（2）焊缝的分布尽量在应力较小处 由于结构件的承载，内部就会产生相应的应力，零部件的形状不同而受力不一致，在不同的部位和截面产生不同的应力。为了减小焊接的缺陷和应力集中等破坏因素就需要尽量把焊缝布置在受力相对较小的部位。

（3）选择合适的接头形式 结构件的焊接接头性能与质量决定了焊接结构件的稳定可靠性。通过大量的焊接接头试验研究表明，其对结构件的性能和可靠性以及应用范围都有着很大的影响作用。熔焊的焊缝主要有对接焊缝和角焊缝，相对应的焊接接头有对接接头、角接接头、T形接头、搭接接头和塞焊接头等。接头的选择应优先采用形式简单且应力集中较小而不破坏接头的连续性接头形式。如对接接头就是一种应力集中小、形式简单且较少折转力的传递的典型焊接接头形式。

（4）尽量减少焊缝的截面尺寸、采用对称焊接 焊接的变形与熔池内金属的多少有关系，所以可以采用双U形破口和双V形破口来代替V形破口，减少焊缝的的截面积，且在焊缝的厚度方向对称，形成一致的收缩来减少变形。结构件的设计过程中也尽量选用对称的构件截面焊缝位置，抵消焊接引起的形变。

对于结构件的焊接质量，主要是对焊接应力的防治和消除，减少和校正焊接变形。结构件的焊接是一项较为复杂而系统的焊接工程，由于结构件零部件的数量大，需要再焊接过程中综合考虑影响焊接质量的结构件材料、预处理方式、焊接工艺及相关的辅助工具使用。对于发生形变的结构件也要采取正确的矫正措施，来保证质量及安装要求。

参考文献

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[2] 杜艺.浅析焊接变形成因及预防[J].中国房地产业：理论版.2012.5