煤矿机械制造过程中的焊接变形因素及其控制工艺

黄国锋

摘要：焊接是机械产品加工制造过程中的一项重要环节，但在焊接过程中由于难以避免的焊接应力与变形的产生，直接影响着焊接工件的尺寸精度、材质强度、整体稳定性以及其他各项工艺性能。因此，如何有效防范和控制焊接变形产生，最大限度地降低应力产生与变形，从而有效地提高机械设备的制造质量，提升其使用的安全可靠性，成为一个值得思考的话题。

关键词：焊接变形；影响因素；控制工艺

中图分类号：TG441 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）12-0047-02

1 对焊接应力和变形的释义

焊接是通过加热、加压，或两者并用，使两工件产生原子间结合的加工工艺和联接方式。焊接应用广泛，既可用于金属，也可用于非金属。

在没有外力的情况下，物体内部存在的应力称为内应力，内应力在物体内部自相平衡，即物体内部各方向的内应力总和等于零。而焊接应力则是焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。主要有热应力、残余应力、装配应力、相变应力等。

焊接变形是在焊接过程中由于焊件不均匀受热和不均匀温度场而引起的焊件尺寸的改变。在焊接过程中，不均匀的加热，使得焊缝及其附近的温度很高，不受热的冷金属部分便阻碍了焊缝及近缝区金属的膨胀和收缩，这就容易产生变形。特别是在冷却后，焊缝就产生了不同程度的收缩和内应力，就造成了焊接结构的各种变形，这些变形大致可以分为瞬态焊接应力和变形、残余焊接应力和变形两种类型。在没有外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的。焊接变形的主要形式有收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形和错边变形等多种形式。

2 对焊接变形带来的危害分析

焊接变形对机械产品的制造和使用的危害主要体现在以下几个方面：

（1）使机械产品承载能力下降。焊后产生的残余应力和焊接变形降低了接头性能，使焊件或部件的尺寸改变，引起局部较大的附加应力，虽然可以采取矫形手段纠正，但矫正的部位会消耗掉一部分材料的塑性，导致承受载荷能力下降，严重时甚至会导致脆断，造成机械设备损坏的恶性事故发生。

（2）使机械产品装配质量下降。当机械设备的各部件由于焊接变形导致钢结构内部产生附加应力，在组装各部件时，产生扭曲、错位等情况，造成装配整体变形，使整个构件丧失稳定性，导致设备装配质量严重下降，有时甚至产品报废。

（3）使机械产品抗腐蚀性下降。焊接是产生大量的热，使得焊缝接口与周围环境气体中的C、O、H、N等气体产生化学反应，改变接缝材质。矫形后，在强大的外力作用下会导致焊缝的塑性和韧性明显变差，导致脆性增加极易产生裂纹，从而使焊接接头的抗腐蚀性随之下降。

（4）使机械产品制造成本增加。焊接变形使机械部件组装变得困难，需要经过矫形后方可装配，而校正要消耗大量的人力和物力，给生产增加许多额外的工序，延长了生产周期，影响了生产效率，增加了机械的制造成本，造成不必要的浪费。

3 对焊接变形产生原因的分析

影响焊接应力与变形的因素很多，焊件的不均匀受热、焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件材质的不同等等。一般归纳总结主要有以下三方面的因素。

（1）受材料因素的影响。焊接离不开焊丝和焊接母材，这两种材料的化学成分不同，焊接性也不同。当前在焊接领域，决定强度和可焊性的因素主要是含碳量。碳当量越大，焊接性能越差。

（2）受设计因素的影响。机械产品在设计时，因为需要满足承重、支撑等能力要求，就必须采用筋板或肋板来提高整个产品的刚性和稳定性。但由于焊接变形的不可控性，采取这样的设计理念自然就难以避免的增加了焊接变形的几率。

（3）受焊接工艺的影响。焊接常用手工焊、CO2气体保护焊、埋弧焊、氩弧焊等多种方式，各种焊接方法差异，使变形也各有差异。同时，由于受选用的焊接接头形式的不同和多层多道焊接的影响，也会使接头塑性变形区增大。

4 预防与控制焊接变形的具体措施

焊接应力和变形影响焊件的功能和外观，给产品制造工艺增加困难，还会因焊接变形过大导致产品报废，造成巨大经济损失。因此必须予以严格控制。

（1）要卡住源头，从设计措施上进行预防。焊接变形的必然性决定了只要有焊接必然有变形和应力产生。因此，要将变形的危害量降至最低，在设计焊接结构时，一是要合理选择焊接工件。有效减少和控制不需要出现的焊缝，尽量选用型钢、冲压件、锻件来替代焊接件。同时要注重优化设计相关筋板、肋板的形状、位置和数量，减少因此而产生的焊缝量和变形后的校正工作量。二是要科学设计焊接尺寸。众所周知，焊缝越宽越深，在受热后冷却时收缩引起的变形量就越大。因此，要在保证产品性能符合设计要求的基础上尽量减少焊缝的数量和尺寸，设计时应尽量选用较小的焊脚、坡口尺寸，尽可能的减少焊缝的横截面积和熔敷金属量，以减少焊接变形量。三是要合理设计焊缝位置。由于焊缝横向收缩量大于纵向收缩量的特性，所以在设计的时候要充分考虑到这一收缩的特性，尽量将焊缝布置在平行于要求焊接变形量最小的方向，使其与焊件的截面中心线或轴线对称，避免设计曲线形结构，这样对于减少梁、柱等主要支撑结构的变形能起到较好的防范效果。

（2）把握过程，从焊接工艺措施上入手工艺措施是焊接构件生产制造过程中所采用的一系列措施，正确地选择和严格遵守焊接程序，是减小焊接变形和内应力的有效方法，更是保证焊接质量的重要措施。因此，在施焊过程中，要认真做好焊前的各项预防措施。一是可以通过采取反变形法，在焊接时人为造成与焊接变形量大小相当、方向相反的预变形量，通过焊后变形收缩来抵消预变形量，使焊接件达到设计要求的几何形状和尺寸。这种方法特别适用于机械设备的外壳焊接上，保证外壳不会塌陷；二是可以采取预拉伸法，通过机械等形式预先将焊件拉伸与伸长，并在张紧的钢板上进行焊接，焊后去除预拉伸，使钢板恢复原始状态。三是可以采取刚性固定法，通过夹具或刚性胎具将被焊工件加以固定，从而有效降低焊接残余应力，防止变形。但刚性固定法会使焊接接头中产生较大的焊接应力，所以对于一些抗裂性较差的材料应该慎用。四是要针对不同的构件形式采用不同的焊接方法。焊缝位置、结构截面对称的焊接结构，应先装配成整体，然后再按一定的焊接顺序进行生产，反之，则可以分别装焊成部件，最后再组焊在一起，有效地减少变形。同时还可以采用合理的焊接方法、工艺参数、焊接次序，通过先焊短焊缝后焊长焊缝、尽可能采用多层焊代替单层焊、间断焊接法、强制冷却法等措施降低焊接残余应力、减小焊接变形。

（3）注重收尾，从焊后矫正上控制。焊接变形一旦产生，就只能通过矫正措施来减小或消除发生的变形。焊后矫正的措施主要有：一是机械矫正法。所谓机械矫正法就是采用手工锤击、压力机、多辊平板机等多种方式，对焊件进行静力加压或辗压，使原来缩短的部分得到延伸，从而达到矫正变形的效果。手工锤击矫形劳动强度大，技术难度高，但无须设备，是矫正薄板波浪变形的重要方法。压力机、多辊平板机等设备机械矫正效率高、速度快、效果好，适用于中、大型焊件焊后的矫形。二是加热矫正。利用氧乙炔火焰对焊件进行局部或整体加热时产生的塑性变形，使较长的金属在冷却后收缩，以达到矫正变形的目的。火焰加热矫正法的加热方式有点状、线状和三角形三种，主要适用于低碳钢和没有淬硬倾向的普通低合金钢。又可分为整体加热矫正法和局部加热矫正，整体加热主要用于消除较大的形状偏差。但是这样的做法容易有副作用，即容易产生冶金方面的一些问题，而局部加热矫正方法简便灵活，因此在生产上广为应用。