焊接知识:薄板结构件焊接变形的控制与矫正

薄板结构件一般指由厚度不大于4毫米的钢板(包括不锈钢板、镀锌板、白铁皮)组焊而成的结构件。控制与矫正薄板结构件的焊接变形需要有高超的技术。

电弧焊是一个不均匀的快速加热和冷却的过程,焊接过程中及焊后,焊接构件都将产生变形。影响焊接变形最根本的因素是焊接过程中的热变形和焊接构件的刚性条件。在焊接过程中的热变形受到了构件刚性条件的约束,出现了压缩塑性变形,这就产生了焊接残余变形。

(一) 影响焊接热变形的因素 

1.焊接工艺方法。不同的焊接方法,将产生不同的温度场,形成的热变形也不相同。一般来说,自动焊比手工焊加热集中,受热区窄,变形较小。CO2气体保护焊焊丝细,电流密度大,加热集中,变形小。 

2.焊接参数。即焊接电流、电弧电压和焊接速度。线能量越大,焊接变形越大。焊接变形随焊接电流和电弧电压的增大而增大,随焊接速度增大而减小。在3个参数中,电弧电压的作用明显,因此低电压高速大电流密度的自动焊变形较小。

3.焊缝数量和断面大小。焊缝数量越多,断面尺寸越大,焊接变形越大。 

4.施工方法。连续焊、断续焊的温度场不同,产生的热变形也不同。通常连续焊变形较大,断续焊变形最小。 

5.材料的热物理性能。不同的材料,导热系数、比热和膨胀系数等均不相同,产生的热变形也不相同,焊接变形也不相同。 

(二) 影响焊接构件刚性系数的因素 

1构件的尺寸和形状。随着构件刚性的增加,焊接变形越小。 

2胎夹具的应用。采用胎夹具,增加了构件的刚性,从而减少焊接变形。 

3装配焊接程序。装配焊接程序能引起构件在不同装配阶段刚性的变化和重心位置的改变,对控制构件的焊接变形有很大的影响。 

一般来说,焊接构件在拘束小的条件下,焊接变形大,反之,则变形小。 

任何钢结构的焊接变形,可分为整体变形和局部变形。整体变形就是焊接以后,整个构件的尺寸或形状发生的变化,包括纵向和横向收缩(总尺寸缩短),弯曲变形(中拱、中垂)和扭曲变形等。局部变形是指焊接以后构件的局部区域出现的变形,包括角变形和波浪变形等。 

焊接过程中的热变形和施焊时焊接构件的刚性条件是影响焊接残余变形的两个主要因素。根据这两个主要因素可以认为焊接残余变形是不可避免的,即完全消除焊接变形是不太可能的。控制焊接残余变形必须从薄板结构件设计和施工工艺两个方面同时采取措施。 

在薄板结构件设计上除了要满足构件的强度和使用性能外,还必须满足构件制造中焊接变形最小及耗费劳动工时最低的要求。因此优化板缝布置尤为重要,设计图纸中的板缝布置往往对工艺性考虑不周 ,容易引起焊接变形。 

焊接工艺是钢结构施工中的重要工艺之一。合理的焊接工艺是减少焊接变形,减少应力集中的有效方法。 

为了控制构件焊接变形,应尽可能采取有效措施,如:将构件分为若干小部件与构件分段,使焊接变形分散在各个部件上,便于构件变形的控制与矫正;使各部件焊缝的布置与构件分段截面中性轴对称或接近截面中性轴,避免焊接后产生扭曲和过大的弯曲变形;对每一条主要焊缝,尽可能选择小的焊脚尺寸和短的焊缝;避免焊缝过分集中和交叉布置;尽可能采用宽而长的钢板或能减少焊缝数量的结构形式,等等。

控制薄板结构件焊接变形的工艺方法有:

(一)在无装配应力强制下进行构件装配; 

(二)采用自动焊和其它气体保护焊工艺;如最先进的

Ar CO2混合气体MAG保护焊。 

(三)合理选择焊接规范参数和装配焊接顺序。减少焊丝供

给量,降低电流、电压,改变极性(通常为直流反极性→直流正极性)。先焊短焊缝后焊长焊缝,采取分段退焊,由内向外依次进行。

(四)尽可能合理运用刚性固定法,反变形法。 

矫正工艺只限于矫正焊接构件的局部变形,如角变形、弯曲变形、波浪变形等等,对于构件结构的整体变形如纵向和横向收缩(总尺寸缩短)只能通过下料或装配时预放余量来补偿。 

采用机械矫正法校正钢结构容易引起金属冷作硬化,消耗材料一定数量的塑性储备,只能用于塑性良好的材料,实际生产中,机械矫正法矫正过程中可能使用专用的大型油压机、摩擦压力机矫正。 

采用火焰矫正法校正钢结构,矫正冷却后,焊接构件这部分金属获得不可逆的压缩塑性变形,使整个焊接构件变形得到矫正。火焰矫正法同样要消耗材料一部分塑性,对于脆性材料或塑性差的材料要谨慎使用。要适当控制火焰加热的温度,温度过高材料机械性能降低,温度过低使矫正效率降低。由于冷却速度对矫正效果不产生任何影响,施工过程中,多采用边加热边喷水冷却的方法,既提高了工作效率,又提高了矫正效果。 

综上所述,钢结构制造过程中,焊接变形是不可避免的,只能采取有效的方法、措施控制焊接变形,并对超出公差要求的焊接变形进行矫正,从而既满足钢结构质量要求,又满足经济性要求。

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