工程机械大型结构件焊接变形的控制措施研究

工程机械大型结构件焊接变形的控制措施研究

                               ,肖小永   ,李景贺

徐州海伦哲专用车辆股份有限公司   江苏  徐州   221000

摘要：工程机械结构件是指通过焊接等方式将材料连接成一个整体的金属构件，因其具有较高的强度和刚度，在现代工业生产中被广泛应用，对于工程机械发展起到了重要作用。大型结构件在焊接完成后会产生较大的变形，这对大型结构件的质量造成了严重影响，所以必须对焊接变形进行有效控制。焊接变形是由于内部材料在焊接过程中发生了局部热膨胀或收缩而导致的变形，主要由材料的热胀冷缩、温度梯度和材料自身结构等因素造成。焊接过程中容易产生高温变形、低温变形和残余应力变形三种类型。本文主要对大型结构件焊接过程中产生的变形进行分析，并提出控制措施，从而提高大型结构件的质量。

关键词：工程机械；大型结构件；焊接变形；控制措施

引言：现代工程机械在发展中对于大型结构件的需求越来越高，大型结构件是工程机械的重要组成部分，具有较大的使用价值。现代工程机械结构件通常以高强度、高刚度、大重量和高精度等特点作为选择材料的标准。焊接作为连接材料的主要手段，可以有效解决材料连接问题，提高结构件的质量。但是在焊接过程中会产生焊接变形，如果不能对焊接变形进行有效控制，将会影响产品质量。焊接变形是指在焊接完成后构件内部产生的变形，是一种由焊接引起的不均匀应力和应变引起的应力和应变状态变化，即热膨胀或收缩等现象导致的构件尺寸变化。

一、接变形原因

焊接变形主要由以下三个原因造成：焊接热循环作用，产生热应力；构件内应力在焊接过程中产生变形；焊缝收缩或膨胀造成的变形[1]。

在焊接过程中，材料的局部发生了收缩，使其所承受的应力增大，并使其内部应力发生改变，从而导致材料变形。当构件内的应力超过材料自身的强度时，会出现变形。焊接变形通常有两种类型：一种是焊接热循环作用下产生的变形，另一种是构件在焊接过程中产生的变形。

二、焊前准备

在焊接前，应对大型结构件进行检查，主要包括焊接设备、焊接材料和焊缝检验等方面。首先，应对焊接设备进行检查，包括焊机的安装、运行和调试等内容。其次，要对焊缝进行检查，包括焊缝尺寸、表面质量和内部质量等内容。在焊接前，要对大型结构件进行预热处理。

一般情况下，大型结构件在进行焊接前，应对其进行预热处理，以降低大型结构件的温度梯度，从而降低焊接后的收缩变形。预热可有效提高焊缝的熔敷金属的温度和焊缝金属与母材间的强度匹配性。在实际生产中，大型结构件在焊前应先将其整体预热至100~150℃左右后再进行焊接。在对大型结构件进行焊前预热时，应注意预热温度不宜过高或过低，一般以200~300℃为宜。在温度较低时可采用局部加热的方式提高结构件的温度梯度和温度均匀性。

三、选择合理的焊接方法和工艺参数

在进行大型结构件焊接时，焊接方法的选择是决定焊接质量的重要因素。首先，要根据构件的受力情况，选择合适的焊接方法[2]。如薄板焊接时，采用CO2气体保护焊或电弧焊；厚板焊接时，采用埋弧焊。其次，要合理选择焊接工艺参数。根据构件尺寸大小和焊缝位置情况合理选择焊接参数。一般来说，焊接应力集中位置、焊缝边缘、焊缝中心处以及结构的对称部位温度相对较低，其焊缝容易收缩变形；而非对称结构和截面形状复杂的结构则容易产生较大变形。

在实际操作过程中，可采用多层多道焊和间断多层焊的方式来减少焊后变形。多层多道焊时，应在每个焊道的焊缝边缘进行多次焊缝填充；间断多层焊时，应将第一层焊缝与最后一层焊缝错开。另外，也可采用自动埋弧焊来减少焊接变形。自动埋弧焊是通过计算机控制将电弧在工件表面移动来实现自动焊接的。

四、坡口的设计

坡口是工程机械中常用的焊接方法，其对焊接变形起到了重要作用，主要是由于在焊接过程中，焊件会产生较大的变形，而坡口则能有效地限制焊件的变形。通常情况下，坡口应与焊缝的根部保持垂直。例如，在大型结构件上的U形坡口，如果设计成倾斜角度大于5°时，则会产生较大的弯曲变形。若不按照这一标准进行设计，则会导致焊缝根部出现凹陷现象，从而使焊缝质量下降。因此，在设计坡口时要结合实际情况进行。

在进行U形坡口设计时，应确保其与焊件的根部保持垂直，并要根据焊件形状确定具体的角度和尺寸。通常情况下，焊缝坡口与焊件根部保持垂直角度时，其角度应控制在10°到15°之间；而焊缝坡口与焊件根部保持平行时，其角度应控制在30°到45°之间。除此之外，焊接时还应确保焊缝根部的间隙在0.3 mm到0.5 mm之间。

五、控制焊接过程中的热输入

在焊接过程中，温度会影响到结构件的变形，因此必须对焊接过程中的热输入进行控制。在大型结构件的焊接中，通常会使用CO2气体保护焊，由于CO2气体保护焊具有较好的冷却速度，从而有效控制了热输入，能够防止焊接变形。在焊接过程中必须对焊丝温度进行有效控制，防止焊丝温度过高而产生变形

[3]。

由于大型结构件具有较大的尺寸和较长的焊缝，所以必须对焊接顺序进行合理安排。通常情况下，焊接顺序包括两种：一种是从焊件一端开始进行焊接；另一种是从焊件另一端开始进行焊接。通常情况下，从焊件一端开始进行焊接的顺序会造成较大的变形和应力集中，所以应该选择合理的焊接顺序。在焊接顺序的选择中，应该根据材料的性质、焊缝形状、焊接方法以及焊缝位置进行合理选择，从而减少焊接应力和变形。

在焊接过程中，应该根据结构件的形状对焊接顺序进行选择，同时应该注意，如果结构件的形状是规则的，则应采用对称式的焊接顺序。此外，还应该根据焊件材料的性质、焊接方法和焊缝位置等因素进行选择。

在选择焊接顺序时，还应该注意对焊缝进行预热和焊后热处理。焊后热处理是指将焊缝加热到一定温度后再进行冷却，以消除焊缝内部应力，降低残余应力水平。在大型结构件的焊接中，通常会使用焊条电弧焊或者氩弧焊等方法。

六、后处理工作

焊接完成后必须对大型结构件进行全面检查，检查其是否符合设计要求，检测焊缝是否出现裂纹，对不符合要求的焊接件及时进行更换，确保焊接质量。

大型结构件焊接完成后要对其进行热处理，主要是将内部的残余应力消除掉，提高大型结构件的强度和刚度。

一般将热处理温度设置在600℃-700℃之间，如果大型结构件焊接完成后表面出现裂纹，可以将热处理温度设置在600℃-700℃之间。为防止出现裂纹，在热处理过程中要对加热速度进行控制，通常采用分段加热的方式进行热处理，每段加热时间控制在60 min左右。

一般大型结构件焊接完成后要进行多次测量，通过测量结果确定焊接是否合格。热处理后，大型结构件表面要进行打磨处理，将焊接完成后的变形部位去除，在打磨过程中要保证打磨时的安全。大型结构件的打磨一般采用砂纸进行，先用细砂纸将大型结构件表面清理干净，然后再用中砂进行打磨。

在大型结构件焊接完成后要对其进行全面检查，检查其是否符合设计要求。对于不符合要求的大型结构件及时更换，并对其进行测量。

结束语：在现代工程机械制造中，焊接技术广泛应用，但是由于焊接过程中容易产生焊接变形，会对产品质量造成严重影响，所以必须对焊接变形进行有效控制，具体可以从以下几个方面入手：首先是选择合适的焊接材料，由于不同材料的性能不同，在焊接时容易产生变形，所以必须选择性能良好的材料；其次是合理设置焊接顺序和焊接电流大小，提高产品的精度；第三是根据工件形状和尺寸选择合适的焊接方法和设备；第四是在进行装焊时，要注意各个部分的平衡；第五是在焊接完成后对构件进行合理的后处理工作，采用合理的方法和技术手段减少构件产生变形。

参考文献：
[1] 王月军. 机械焊接结构热变形的控制措施研究[J]. 建筑工程技术与设计,2020(15):499.

[2] 王苹,裴宪军,钱宏亮,等. 焊接结构抗疲劳设计新方法与应用[J]. 机械工程学报,2021,57(16):349-360.

[3] 张瑞,苗德元,张敬华,等. 大型复杂结构件抛丸改进方案[J]. 电镀与涂饰,2021,40(22):1728-1733.