焊接结构件焊接变形控制措施研究

张亚春

（大庆油田装备制造集团抽油机制造分公司，黑龙江 大庆 163000）

在机械制造业中，尤其在石油装备制造中，如抽油机、钻井等设备，近一半以上的工作量是结构件的焊接，焊接作为重要的加工工艺，在生产制造过程中发挥着不可替代的作用。但是在实际操作的现场，由于受到环境温度、结构件温度、焊工的技术水平、焊接方法等条件的影响，使得焊接制造和焊接生产中焊接接头会出现瞬间变形和瞬态热应力。据统计，在制造业中每年因为焊接应力所带来的损失已经高达千万元以上，甚至还会对人们的生命安全造成危害。因此，在工业制造中对焊接结构件焊接变形的重视程度越来越高，为了更好的保障工业生产安全，已经发展成为当下必须解决的重要问题。

1 焊接变形的形成及产生的影响

1.1 焊接变形的形成

在焊接作业时，产生的热过程是十分复杂的。而工件焊接工艺的选择直接影响着工件的受热问题。如果焊接工艺选择的不合理，直接会加剧整个工件受热不均匀问题，导致工件内应力分布不均匀，使工件发生严重的变形，影响工件的质量导致无法正常使用。

首先，在焊接作业时都是进行局部受热的，也就是说，只有在进行焊接的区域会受到加热，产生热量输入。对于其他区域来讲，会出现能量的消耗。而这种局部的加热会直接导致焊接残余应力和焊接变形。其次，焊接中热过程是瞬时性的。热量在金属材料中的传播速度极快，因此在焊接过程中，热源是高度集中的，以实现在短时间内将大量的热量供给工件，这就使焊接过程中的热过程具有时变性和非稳定特性。最后，焊接过程中热源是相对运动的。在焊接过程中，焊接热源会随着工件的位置变化而发生变化，这也在很大程度上加剧了焊接热源的不稳定性。

1.2 焊接变形产生的影响

对于工件来讲，在没有受到外力的作用下内部的应力是平衡的。但当对工件进行焊接操作时，就会使工件受热发生膨胀，冷却发生收缩，这也就是热胀冷缩原理。因此，在受热和冷却中温度所发生的变化会使得工件发生变形，而工件的变形主要是在焊接过程中热应力分布不均匀引起的。在焊接处，与焊缝方向相同的残余应力叫作纵向应力，而垂直于焊缝方向的残余应力叫作横向应力。而在工件中若有残余应力的存在，就会对工件产生很多负面影响。

首先，对静载荷的影响。在焊接构件中，当纵向拉伸的残余应力较高时，可以拉近某些材料的屈服强度。当受到外在工作应力时，同方向的应力会进行相互叠加，就会使该区域发生变形，导致工件不能继续承载外力，使焊接构件的有效承载面积减少。其次，对刚度的影响。在焊接构件中，如果内应力方向与外载荷方向是一致的，当受到外载荷作用时，焊接工件的刚度就会下降。并且焊接工件所发生的变形在卸载之后是无法进行恢复的。最后，对杆件压稳定性的影响。由于焊接的残余应力均匀的分布在工件内部，因此，在焊接构件的截面上会同时有压应力和拉应力。当焊接构架承受外载荷时，外加的应力与焊接件截面上的压应力进行叠加，会使焊接构架压应力区先达到屈服强度，导致焊接构件减少承载能力。

2 控制焊接结构件焊接变形的技术要求

2.1 采取定位焊点焊的方式

为了减少焊接结构件的收缩应力和焊接变形，在焊接方式上采取定位焊点焊的方式可以降低对焊接结构件的变形影响。在焊接时，应该先对受周围约束较大的部位进行焊接，然后再对受周围约束较小的部位进行焊接，这样才能更好地保证先焊接的部位可以进行自由收缩，减少焊接结构件的变形。

2.2 焊接时保持连续性

在焊接操作中，一旦对焊接结构件进行了焊缝操作，就必须保持作业的连续性，不可因中途的其他缘故而中断。但如果在焊接过程中有特殊原因，必须对焊接操作进行中断时，要对焊接结构件进行相应的处理，以减少焊缝开裂。当对该结构件进行再次焊接时，要保证表面是清洁干净的，并且不存在任何的缺陷，才可以按照原来的工艺继续对其进行重新焊接。

2.3 焊接时需要预热

根据焊接工艺评定要求，焊接结构件是需要对主缝和定位焊缝进行预热的，并且焊接温度在焊接过程当中要得以保持。对于定位焊缝预热温度与主奉预热温度相比，定位焊缝的预热温度要高出20 ～30 度。预热的方式可以采用加热板对焊件进行均匀加热。

3 有效控制焊接结构件焊接变形

3.1 焊接方法必须合理

在机械生产制造过程中，对焊接件进行焊接时选择正确的焊接方法是非常重要的。倘若我们根据焊接结构件的实际情况，所选择的焊接方式是线能量较低的，就可以实现大幅度地减少焊接区塑性压缩区，同时在焊接过程中还可以对焊接结构件的焊接变形进行有效的控制。现阶段，在焊接工艺中，能够有效降低焊接变形量的工艺有无极氩弧焊、手工电焊弧以及二氧化碳气体保护焊等方法。因此，在对焊接结构件进行焊接时，如果在工艺上以上三种方法可以实现焊接需求，那么可以通过该方法有效控制焊接结构件焊接变形。

3.2 减小变形

减少焊接结构件的焊接变形，首先要从减少线能量开始。通过减小线能量能够有效地防止焊接接头的波浪变形、角变形等，减少线能量对控制梯形接头的脚变形和横向收缩所起到的效果最好。一般对结构件进行焊接时，主要有纵向焊缝和横向焊缝，因此在进行焊接时，主要是控制焊接接头的波浪变形、角变形等。当线能量为定值时，增大板厚可以使收缩变形下降。但是在实际焊接中，要保障焊接结构件焊透，当板厚增大使线能量也会增加，线条金属熔敷量就会增大，也会使收缩变形增大。况且在实际焊接过程中，很多时候是要对焊缝进行局部翻修的，一次焊接很难使其焊透。因此，在对焊接操作进行设计时，要充分的考虑板厚的因素，进行合理的确定。此外，在机械制造时，要控制好坡口和根部间隙所带来的影响，制作时应该在平面度两毫米的专用平台上进行，下料的尺寸和钢板划线都要保证精确。同时还要保证控制钢板卷制过程中中卷板机卷轴心线与钢板宽度中心线是垂直的。

减少焊接结构件的焊接变形，其次是要进行自由收缩。在对焊接结构件进行焊接设计时，应充分利用焊接后收缩变形与结构反变形之间的相互抵消。由于变形之间的相互抵消，可以降低焊接件的变形。因此，在焊接过程中先进行纵向焊缝的内侧焊接，然后再进行拼装。

3.3 消除变形

对于通过焊接已经形成变形的结构件，可以通过先进的技术对其进行矫正，有效地消除焊接残余变形。目前，经过大量的实践和理论研究，机械加压矫正变形法和火焰加热矫正变形法对于焊接件残余变形的消除效果最佳。因此，在焊接操作规程中，对于已经产生焊接变形的结构件通过相应的消除手段使其恢复，可以提高结构件焊接作业的有效生产力，减少焊接过程中因焊接应力导致焊接结构件质量不合格所带来的经济损失。

4 结语

综上所述，在机械制造业进行日常的焊接工作时，影响焊接结构将发生变形的因素很多，而焊接结构架变形也是众多因素共同作用的结果。因此，在焊接环境合适的情况下，适当地调整焊接规范和焊接工艺可以减少焊接结构件的变形量。其次，焊接作业人员也要在不断的作业实践中总结经验，不断地对焊接工艺进行完善和优化，使我国制造工业的装焊技术和焊接工艺的水平再上一个新台阶，为机械工业企业带来给好的经济效益和发展空间，促进我国机械工业的发展。