薄板焊接的特殊问题的研究趋势探究

范灵利++刘恒

摘 要：薄板焊接的特殊问题是烧穿和变形，该文针对薄板焊接的特殊问题，分析了薄板失稳变形的原因。对薄板焊接的特殊问题的研究趋势进行探究，致力于提高焊接接头的力学性能。对于控制薄板焊接变形的各种措施进行总结，提高结构性能、安全可靠性和制造工艺性。

关键词：薄板 焊接 变形

中图分类号：TG404 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（a）-0115-02

随着社会经济的发展和制造业水平的提高，具有重量轻、工艺性能好的薄板焊接结构广泛应用于各种大型结构制造领域。近年来控制薄板焊接烧穿和变形的各种解决方案层出不穷，用于指导生产实践来提高产品质量。目前对薄板焊接烧穿问题已经得到很好的解决和控制，但都存在一定的缺点和不足。通过合理地安排焊缝的位置，减少焊接应力和变形等方法，对于薄板焊接的烧穿和变形问题进行研究，避免由于失稳而产生薄板焊接的特殊问题。通过提出各种解决方案，建立一套控制薄板焊接变形技术方案，从而达到减少薄板焊接中存在的易烧穿、变形大的目的，对增强产品的整体竞争力具有重要的现实意义。

1 薄板焊接的特殊问题的研究趋势概述

薄板虽然具有质量轻、连接方便等特点，但由于其自身拘束度小，变形尤为严重。焊接作为一种重要的制造手段，使用这种加工方法导致的变形会严重地影响薄板本身的结构强度。在焊接过程中又由于局部加热、冷却作用，也会导致横向收缩、纵向收缩等一系列变形。当焊缝的纵向收缩与薄板边缘的压力超过一定比值时，使焊接操作无法继续进行。因此，对于薄板焊接的烧穿和变形问题进行研究，具有广阔的应用前景。

1.1 薄板焊接的特殊问题之烧穿问题

通常对于6 mm以下的薄板，最容易产生的问题就是烧穿。薄板上产生高度不均匀的焊接温度场，使未熔化的金属没有能力承受其所受到的应力作用。因此必须了解薄板焊接变形质量影响因素，改变一旦烧穿无法修补的危险局面，成功实现薄板焊接变形的控制，力求在能完成焊接的前提下减小焊接电流和控制焊接热输入。如图1所示，熔池主要承受电弧压力P和液体表面张力F，在此基础上还存在自身重力Q的影响。

1.2 薄板焊接的特殊问题之变形问题

薄板焊接时另一突出问题就是焊接变形，这一问题更为复杂，要特别注意防止失稳而产生波浪变形。结合实际对薄板焊接失稳变形的影响因素进行较为细致的分析，发现一个操作工人的质量就可使薄板产生永久性的变形。在焊接过程中近焊缝区与远离焊缝的区域内分别产生拉应力与残余压应力，具有复杂性、多元性。当焊缝的纵向收缩产生的压应力达到临界失稳应力时，就会在焊接接头区域产生不协调的塑性变形。

2 控制薄板的特殊问题的研究进展

在薄板焊接中，薄板焊接烧穿问题已经得到很好的控制。但是焊接过程中的热输入决定了变形是不可避免的，同时焊接方法、焊接工艺和焊接程序显著影响焊接变形的程度。通过对大量焊接不锈钢对接试验分析得出，设置加强筋或增加板厚等均可以减小变形。薄板对接焊时进行无间隙装配，把薄板压制成凸筋或波纹形在一定程度上也能有效地控制烧穿。利用横向收缩位移，从而降低残余压应力和提高临界应力以减少变形。

2.1 控制薄板的烧穿问题的研究进展

随着对焊接烧穿机理研究的深入，通过严格控制焊接能量参数，减小板件初始不平度和支承条件的影响。在保证焊缝成形的情况下，既考虑工艺性又要考虑经济性。国内外研究出了各种不同的途径和措施来减小焊接变形，采用精装夹具以此来保证接缝两侧的夹紧力均匀，减小钢板切割、装夹与焊后处理等对烧穿的影响。选择恰当的焊接方法和工艺参数，增强未熔化的金属承受它所受到的应力作用。尽量控制焊接电弧燃烧的稳定性，提高金属熔池的表面张力。选择正确的焊接电流并保持其恒定，在能完成焊接的前提下减小焊接电流和控制焊接热输入。这些方法均能在一定程度上减小焊接烧穿的概率，达到避免焊接烧穿的目的。

2.2 控制薄板的变形问题的研究进展

随着对焊接变形机理研究的深入，薄板焊条电弧点固焊烧穿的焊接电流控制电路。焊接过程中的热输入决定了焊接变形是不可避免的，尤其是热输入、板的厚度和夹具对临界板宽有显著影响。预防和控制薄板焊接结构变形的措施层出不穷。如采用夹具固定焊件，尽可能考虑将焊缝布置在靠近结构中心线的区域内；在没有预变形的情况下，在焊接工艺上尽可能合理运用刚性固定法和反变形法；增加焊件的约束，使焊接变形控制在产品技术公差要求范围以内。夹具的约束作用可以控制和减小焊后残余应力分布及变形，在此基础上正确选用焊接方法和焊接材料。当薄板焊接构件出现较大残余变形而无法达到产品的使用要求时，还可通过逐点挤压法和机械拉伸法等进行焊后矫正。

3 薄板焊接的特殊问题的研究趋势前景

薄板焊接变形影响因素的研究及焊接变形控制措施的研究，有很大的实用意义和发展前途。随着计算机软硬件技术的发展和相关理论的不断完善，根据有限元计算结果进行制造工艺参数的优化可省去大量的摸索实验时间，从而得出各种条件下薄板失稳变形模态，详尽地掌握焊接应力和变形的产生及发展过程。

（1）通过结构的弹性屈曲分析，通过一次弹性有限元分析求得整个构件的焊接变形。要成功实现薄板焊接变形的控制，进行大量的数值模拟评估薄板结构尺寸，预测和控制焊接残余应力和变形。针对薄板结构厚度方向尺寸远小于其他两个方向尺寸的特点，使焊接变形控制在产品技术公差要求范围以内。通过利用有限元数值模拟技术与板的稳定理论相结合的方法，有效减少了计算工作量。

（2）在焊接热循环过程中通过跟踪热应变行为来计算热应力和应变，数值模拟结果与实测结果的对比证实了这种方法的有效性。对薄板焊接变形的预测与控制进行大量研究，预测大型复杂薄板结構焊后变形的数值分析技术变得尤为重要。将二维热弹塑性数值模拟与三维结构屈曲分析结合起来，使有限元法得到更加广泛的应用。随着大型有限元软件的开发并取得了良好的效果，缩短与国外技术的差距奠定基础。

4 结语

近年来，国内外学者针对薄板焊接过程中存在的主要问题进行了深入的研究，已经在一定程度上可以很好地控制焊接烧穿与变形。但由于薄板焊接变形具有复杂性、多元性，在很多情况下解决办法还未搞清楚，因此仍然是国内外薄板焊接制造业的一个技术难题，还需配合其他控制焊接变形的措施，增强焊接质量。

参考文献

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