异形梁结构焊接变形的控制

异形梁结构焊接变形的控制

韩栋

大连机车车辆有限公司转向架分厂 辽宁省大连 116045

摘 要 车体钢结构底架组焊过程中，经常出现异形梁结构，包括中梁、横梁等装配，如果控制不好，会出现严重的变形，且不容易修复。通过合理的分析，异常梁焊接过程中应采取预留收缩量、反变形施焊、制定合理的焊接工艺，同时对扭曲变形、角变形、弯曲变形及其控制作出初步的探讨。

关键词 异形梁 焊接变形 工艺 角变形的控制

1 前言

异形梁具有构造美观、经济、断面力学性能好和稳定性好等特点，因具有优越的结构型式和良好的力学性能而成为钢结构的主要架构模式。在生产过程中控制焊接变形成为关键的问题，因为焊接变形不但增加了工作量和生产成本，而且影响到结构的安装、使用和力学性能。本文结合车间实际生产中摸索的经验，来探讨一下焊接异形梁焊接变形的控制的方法。

2 异形梁焊接变形及成因分析

2.1 异形梁是上、下盖板与腹板通过两个T型接头结合成一整体。T型接头施焊过程中，随着焊接温度的变化，体积也发生变化，即局部的膨胀和收缩，焊件的局部膨胀收缩引起工件的变形。在焊接过程中，由于焊接热循环的特点，使焊件受到的是不均匀的加热，因此，焊接金属受热膨胀及冷却收缩的程度也不同，这样，在焊件内部就产生了应力，引起焊件变形。在制造过程中，工件的变形量是最重要的质量控制点之一。

在制作异形梁的时候，会出现局部的变形（图1）一、角变形；二、扭曲变形；三、弯曲变形。

2.2 在焊接上下盖板的时候一面温度较高，另一面较低，在焊接的那面受热膨胀较大，另一面较小，这样上下盖板冷却的时候，厚度方向上的收缩不均匀，焊接收缩面较大，另一面较小，产生了如图1所示的角变形。角变形的大小与焊接规范以及焊件的刚性有关，焊接规范中数值越大，它的输出能量就越大，造成厚度方面的收缩就不均匀，角变形也就会很大，焊件的刚性越小，焊后引起的变形就越大，所以在焊接异形梁的时候就要合理加强板的刚性, 在上下盖板之间增加工艺拉筋固定，同时利用反变形的方法，下料过成中，提前在上下盖板与腹板焊接的焊缝位置，向相反方向压型出178度，控制变形。

2.3 异形钢焊后的弯曲变形表现在构件实际中心线偏离设计中心线，产生一定的挠度，弯曲变形分为两种：焊缝横向收缩引起的弯曲变形和焊缝纵向收缩引起的弯曲变形。弯曲变形也与焊接规范和焊接构件的刚性有关，因此在焊接的时候尽量增加构件的刚度，同时运用较小的焊接规范进行焊接。但是合理的装配顺序也是很重要的，他能增加焊接时的刚性，同时能减少弯曲变形。采用先焊接下盖板与腹板的焊缝，再焊接上盖板与腹板的焊缝。焊接时采用两个焊工同时施焊，并分段焊接，减小局部区域热输出量。

2.4 扭曲变形产生的根本原因主要是焊缝的角变形沿焊缝长度分布不均匀,在这主要是角变形沿焊缝长度逐渐增大的结果。如果改变焊接顺序，两条相邻的焊缝同时同向同一个方向焊接，这样就会相互抵消各自的焊接变形；扭曲变形还由于构件本身的形状不规则、装配不当、搁置位置不正确等。

3 异形梁焊接变形的防止

通过生产实践，发现焊接异形梁的变形形式主要包括：挠曲变形、拱变形、角变行出现频率较高，为主要变形；纵向收缩、横收缩次之，为次要变形；扭曲变形最少，为微小变形。所以焊接时候要进行如下措施。

3.1 预留焊接收缩量

选择材质合格、表面平直的钢板下料 ，下料时应考虑焊接收缩余量。按照经验焊接收缩为1m的板料收缩1mm的量，一般中梁长度在14—16mm左右，考虑整车绕度和焊接收缩，放量20mm左右。

3.2 反变形

反变形法方法简单,操作方便,但是确定反变形量非常困难,目前主要依靠试验和经验,理论上的计算还很少。采用大变形理论研究了角焊缝焊接过程中预应变对角度变形的影响,结果表明预应变在加热过程中产生的变形可以抵消构件在冷却时产生的反向变形。用迭代法推导出求解反变形形状的递推公式,对简单立体结构进行了有限元模拟,经过五次迭代得到了最终反变形的设计形状。尽管每一次迭代都要进行复杂的焊接变形计算,但是这种迭代法思路还是很有意义的。下料过成中，板厚在20mm以下时，提前在上下盖板与腹板焊接的焊缝位置，向相反方向压型出178度，控制变形。

3.3 制作合理的焊接工艺

由于在焊接异形梁的时候，焊缝的长度很长，所以工艺的好坏直接影响工字梁焊缝和变形产生是否。因此，焊接的时候，宜采用对称逆向分段的焊接方法。把焊缝分为若干小段，每条焊缝的长度约200-300mm。同时在焊接每一段的焊接方向皆与焊接总方向相反，选择技术较好且水平相近的2名焊工同时施焊，这样可将变形减小到最低限度。一般情况下应先焊下盖板的二条角焊缝，再焊上盖板角焊缝，焊接方向要一致，焊接次数根据焊缝高度要求而定；多道焊时应制订翻转工艺，并加以测量，以便利用下一次焊接时采用焊接校正。

3.4 控制温度场

姚君山等提出了有源强化焊接传热的概念,即在焊接热源之后设置一随动于热源的射流冷源(热沉) ,造成温度场的畸变,产生的局部急冷拉伸作用使高温状态的焊缝金属产生收缩,从而抵消焊接过程中的一部分压缩塑性变形。文献[6]提出了低应力无变形(LSND2low stress non2distortion) 焊接技术,在焊缝两侧由近及远对称地划分出三个区域,焊接过程中冷却第一区和第三区,加热第二区,通过温度场畸变造成拉扯效应,实时控制焊接应力和变形。PMichaleris 等的工作也是基于这种思想,并且对该方法进行了有限元分析和试验验证

3.5 系统综合分析

将焊接过程整体作为一个系统,运用综合分析的方法建立最优化目标,找到影响焊接变形的关键因素以及这些因素的相互关系并进行量化,从而对焊接变形进行重点的、定量的控制。焊前预热、焊后热处理、采用焊接夹具时夹具的夹紧和松开等过程都是焊接的有机组成部分,不同的过程工艺对焊接效果影响很大,应该引起重视。在采用焊接夹具的情况下,焊件从开始冷却到取下夹具的过程,也会发生较大变化,但是现有这方面的研究很少,多数都被忽视了。生产中常利用夹具的拘束作用限制构件的自由变形,以减少焊接变形。但是变形受约束必然会引起附加的应力,夹具撤除后应力重新分布,如果构件刚度不足,就会引起新的变形。

4 异形梁焊接变形后的修复

异形梁变形后，一般采用火焰矫正的方法进行修复。通过火焰烧盖板的焊缝位置，调直角焊变形；沿着横向方向烧下盖板，以及烧倒三角形，调整异形梁绕度，要注意火焰温度计矫正时间。

5 结论和建议

（1）焊前、焊中、焊后都需要严格控制产品质量。

（2）规范焊接工艺。

（3）建议研制能够进行准确定量计算而又简便实用的方法。

参 考 文 献

1. 邓洪军.焊接结构生产.北京：机械工业出版社，2004。

2 邱薛菲.焊工工艺学第3版.北京：中国劳动社会保障出版社，2005。

3 雷世明.焊接方法与设备.北京：机械工业出版社，2007。

4 宗培.焊接结构反变形的有限元法计算[J ].海洋工程，2001。

5 姚君山有源强化传热控制薄板焊接压曲变形的研究。机械工程学报，2000。

6 李铸国,吴毅雄,林涛,等.复杂汽车零部件精度焊接成形质量保证系统[J].焊接学报,2001。