薄板焊接及其变形控制

郭安飞 吕光顺 邵光涛

摘要：钣金焊接操作主要是在我们平台的顶层创建的大型结构，例如轨道运输、水运和空运，属于大型结构区域。重量轻、易于加工的外形以及磁盘之间的轻松安装通常非常普遍。本文介绍了薄壁焊缝的工作原理及其变形。

关键词：薄板；焊接；变形控制

引言

薄板焊接结构件在制造业中应用广泛，其外观精度是无误差装配的基础。目前，薄板焊接变形的预测主要采用有限元法进行数值模拟，但是该方法无法实现几何精度的全面验证，因此提高预测模型的精度是目前薄板焊接工艺亟待解决的问题。国内外众多学者对焊接预测模型中所涉及的热源模型、网格模型、材料热参数、设计参数以及工艺参数等对焊接变形的影响进行了研究，得出了薄板的焊接变形主要与薄板的材料、几何形状和尺寸及约束条件、焊接工艺、焊接参数等有关的结论。

1薄板焊接概述

ＬＵＯ等采用基于固有应变理论的弹性有限元方法，对３Ｄ薄板结构进行焊接模拟，研究了焊接顺序、热输入等因素对焊接变形的影响，结果表明，即使在相同的热输入条件下，不同的焊接顺序对焊接变形影响很大，而减小热输入能够有效地阻止焊接变形的发生。ＧＡＮＮＯＮ等研究了船舶Ｔ形加筋板之间的平板焊接顺序对焊接应力和变形的影响，结果发现不同焊接顺序对应力的分布影响不大，但是对应力峰值的大小有影响。ＰＡＲＫ等采用热弹塑性有限元法研究了焊接试板的初始情况对变形的影响，结果表明初始变形对面外变形影响较大，但是对残余应力和塑性应变影响不大。ＬＩ等采用热－力耦合单元的热弹塑性有限元法，分析了带有加强筋的结构焊接变形规律，实验结果表明，此方法对数米长的中型焊接结构件的变形预测具有很高的精度。焊接的一个显著特点是采用了高度集中的瞬时局部热输入，其加热和冷却过程极不均匀而且远离平衡状态，其中包含着复杂的冶金物理化学反应和热处理过程，因而形成复杂的瞬态温度场和应力应变场。目前对焊接变形的检测主要有三种手段：单点静态、全场静态和单点动态。单点静态是指采用卡尺、测高仪等手段对薄板焊接后的对应点进行测量；全场静态是指采用激光、结构光等扫描仪对薄板进行焊接前后的全场扫描获取薄板全场变形状态；单点动态是指采用位移传感器等对薄板某一点在焊接整个过程中的位移变化进行检测。

2薄板焊接中的技术要求

熟悉焊接技术的人知道薄壁焊缝的变化具有许多不同而复杂的特征，是焊缝质量的主要因素。薄壁焊缝变形的调整始终是土木工程师研究的课题。由于历史经验，焊接变形与焊接后残馀应力密切相关，不能孤立。同一焊接件中的焊缝变形和焊缝后残馀应力相互平衡并相互依存。为了控制薄壁焊缝在实际焊接工艺中的理想状态，需要考虑理论与实践经验的结合，开发严格的施工技术，并用先进的施工技术进行焊接。如果忽略这两者的组合，董事会将变得更大，从而导致以后的维护工作出现重大问题，当然也会导致工程费用增加。因此，为了掌握施工中焊缝应力和变形的机理，有必要以符合实际理论的方式组织施工。

3薄板变形的成因

3.1焊接材料的选取

使用焊接材料可以直接影响整个焊接操作的质量和板材变形效果。通常，焊接材料和板材都属于金属产品，因此有金属特有的热物理特性参数和机械参数，它们在焊接操作过程中可能会发生板材变形。对于热传导，导电性较大，温度梯度较小，焊接过程中的变形效果较小。材料的机械性能中有热膨胀和收缩的想象力，这种现象是影响焊接中薄板变形的主要因素之一，焊接材料本身的高温屈服极限和弹性薄膜之间也直接影响整个薄板焊接质量。

3.2点固焊工艺的因素

点焊接头对于设计方法、焊接位移以及焊缝质量的直接影响非常重要。选择合适的点焊工艺后，您可以确保焊缝间距，控制焊缝变形，同时充分考虑焊缝数、焊缝尺寸和焊缝间距等因素。选取不适当的点-固定焊接方法可能会对焊接前后的残馀应力产生严重的负面影响，因此无法保证焊接质量。还要注意焊缝大小的选择。如果选择的尺寸过大，焊缝背面将无法完全穿透，且连接的终止方式可能会损坏。如果尺寸太小，焊接时可能会出现不能保证焊接间距的凹槽问题。这意味着薄壁焊缝的变形受影响点焊缝加工的各种因素的组合影响。

3.3焊接结构问题

薄壁焊缝设计过程中薄壁焊缝变形的主要因素是整个焊接工艺中最困难的操作。一般规则是，随着焊缝中约束和载荷的增加，焊缝变形相对减小。因此，在焊接过程中，结构操作的约束程度在焊接过程中发生变化，结构在平稳状态下复杂，主要是因为结构约束始终占主导地位。这意味着在焊接过程中，由于这些结构的复杂性，约束通常会增加。一般而言，设计连接器结构时，必须同时使用钢筋和加固环，以提高板的整体稳定性和刚度，并进一步增加焊接工作中的焊缝变形。

4薄板焊接变形控制措施

预装配应在标准板上进行，工件边缘不存在碎片和光栅图像，变形和内部应力应最小化。对于间距不等的工件，必须根据标准进行抛光。不要使用氧切割机来避免变形。对于组件中无效的工件，不要使用固定拖动以避免附加应力。通过使用合适的设计或装置固定工件，可以提高刚度，减少焊接时的变形。焊接过程中板变形的控制主要是通过合理的焊接顺序和较高的刚度进行的。使用“区域焊接”方法，并根据需要调整适当的电流和电压。焊接时，在焊接的两侧添加刚性筋，并在点焊牢固时注意对称点焊。首先，收缩焊缝或焊缝结构中要求较高的焊缝会增加刚度，以确保整个焊缝的温度均匀分布。分割后的焊道用于确保段的长度相同，并且每个对称焊道段保持一致。对称焊缝必须连续焊接，且焊接参数必须尽可能匹配同一时间。对于实际焊接，我公司采用脉动氢气射箭工艺，其中固有应力和氦气弧较低，热量供应较低。这将减少变形并提高焊缝质量。

结束语

焊接顺序的调整在实际生产过程中比较简单，调整中所需要的成本也较低廉，将其结构优化可以很大程度地控制焊接变形的出现，同时在有限元模型的使用中可以利用不同的焊接顺序对结构件可能出现的变形情况进行预测，根据预测的结果改进就可以促进焊接结构的完整性及焊接质量的优质性。

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