起重機械結(jié)構(gòu)焊接變形及控制分析

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摘要：起重機械結(jié)構(gòu)在焊接過程中因為溫度變化和應(yīng)力分布不均會引發(fā)焊接變形，其嚴重影響了機械結(jié)構(gòu)的完整性和使用可靠性，因此，針對起重機械結(jié)構(gòu)焊接變形的因素及控制的研究必不可少。本文首先論述了機械結(jié)構(gòu)金屬焊接變形的基本理論，從本質(zhì)討論材料變形的原因及影響金屬焊接變形的因素。進而依憑起重機械結(jié)構(gòu)分析了焊接變形的種類及其產(chǎn)生的原因，并且提出了對起重機械結(jié)構(gòu)焊接變形的控制方法，對大型焊接工藝提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：起重機械；焊接變形；結(jié)構(gòu)設(shè)計

起重機械結(jié)構(gòu)由多種零部件焊接而成，在實際焊接過程中，焊接變形引起的誤差會使結(jié)構(gòu)尺寸精度下降，進而導(dǎo)致起重機械整體結(jié)構(gòu)的承載能力下降，同時，還會降低產(chǎn)品的外觀。對于起重機械結(jié)構(gòu)的焊接變形，需要投入大量的人力和物力去修補和完善，其工作量有時候會比起初焊接所花費的要多，甚至在變形較大的時候，其結(jié)構(gòu)無法進行修繕，被迫廢棄。因此，考慮起重機械結(jié)構(gòu)焊接變形的起因及其影響因素，進行有效而合理的控制，可以減少損耗，對起重機械的改進和發(fā)展都具有指導(dǎo)意義。

1機械結(jié)構(gòu)金屬焊接變形理論

1.1金屬焊接變形的基本原理

金屬材料處在高溫的環(huán)境中，當(dāng)溫度達到材料的熔點，材料會熔化并發(fā)生熱膨脹，材料發(fā)生擠壓變形，產(chǎn)生彈性熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力大于材料此時的屈服極限，材料的彈性變形會轉(zhuǎn)化成塑性變形，導(dǎo)致冷卻后的材料無法恢復(fù)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，材料在焊接區(qū)域受壓應(yīng)力，在周圍區(qū)域受拉應(yīng)力。因此，材料的“熱脹冷縮”是使材料發(fā)生變形的基本原因。起重機械結(jié)構(gòu)的焊接過程一般利用熔化焊，將需要焊接的區(qū)域進行加熱，并加入焊接材料，帶熔池形成后進行冷卻硬化，因此，在焊接加熱冷卻過程中，焊接區(qū)域發(fā)生冷縮，非焊接區(qū)域發(fā)生熱膨脹，產(chǎn)生殘余應(yīng)變導(dǎo)致材料的塑性變形。尤其對于焊接零部件，微觀的塑性變形，在宏觀的表現(xiàn)為尺寸變形并帶有彈性應(yīng)變能。對于單一構(gòu)件，材料發(fā)生塑性應(yīng)變的區(qū)域很少，因此，針對影響材料的焊接變形，考慮殘余應(yīng)變和彈性應(yīng)變能，進而研究材料變形。首先，可以構(gòu)建彈性應(yīng)變能與彈性變形的關(guān)系式中，E為彈性應(yīng)變能；hi為彈性變形；ki為廣義彈性系數(shù)。又因為彈性應(yīng)變能與彈性應(yīng)變能密度有如下關(guān)系式中，g0為彈性應(yīng)變能密度。將（1）式帶入式（2）中，可得通過式（3）可知材料變形及應(yīng)變能的大小。

1.2金屬焊接變形的影響因素

（1）材料屬性對金屬焊接變形的影響。焊接區(qū)域的變形同時受到焊材和母材的影響，其力熱屬性決定了材料的膨脹和收縮程度，熱傳導(dǎo)系數(shù)小，溫度變化的梯度大，溫差大導(dǎo)致材料更容易變形。熱膨脹系數(shù)對材料的變形正相關(guān)，而且材料的力學(xué)屬性會隨著溫度的變化而改變，通常情況下，較大的彈性模量會儲存較大的變形能，所累積的殘余應(yīng)力更容易引起焊接變形。（2）焊接結(jié)構(gòu)對金屬焊接變形的影響。在焊接過程中，控制工件的拘束度可有效改善焊接變形。工件本身的拘束度起主要影響，在設(shè)計時，焊接結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，拘束度越大。因此，需要對為了增加結(jié)構(gòu)剛性而添加的筋板或加強筋的數(shù)量和位置進行優(yōu)化處理，可適當(dāng)減小焊接過程中的工作量，同時，也能對焊接變形有削弱的作用。（3）焊接工藝對金屬焊接變形的影響。焊接工藝可改變殘余應(yīng)力的位置和大小以減緩焊接變形，例如，改變焊接順序、采用新的焊接工藝方法、調(diào)整合適的焊接工藝參數(shù)，同時，根據(jù)工作人員的累積經(jīng)驗，也可以采用特殊的加工工藝來改善殘余應(yīng)力，降低焊接變形。

2機械結(jié)構(gòu)焊接變形種類及產(chǎn)生原因

在起重機械結(jié)構(gòu)焊接過程中，其結(jié)構(gòu)件的焊接變形種類有收縮變形、彎曲變形和扭曲變形。收縮變形是因為焊縫冷卻材料體積減小，導(dǎo)致尺度精度下降，而且焊縫收縮的方向相同會使得整體結(jié)構(gòu)的尺寸減小，影響機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。彎曲變形通常出現(xiàn)在工件尺寸較小、焊縫不對稱的區(qū)域，這是因為材料受到焊接過程中應(yīng)力和變形的綜合影響。起重機械焊接結(jié)構(gòu)屬于大型結(jié)構(gòu)件焊接，因此，更容易發(fā)生扭曲變形，在不均勻內(nèi)應(yīng)力的影響下，焊縫的分布沒有規(guī)律，很難進行提前預(yù)測，導(dǎo)致的結(jié)果就是焊接區(qū)域發(fā)生扭曲變形，嚴重時，焊接件會無法修復(fù)。因此，起重機械結(jié)構(gòu)的焊接變形不僅影響工程機械的工作效能，而且還會給工廠企業(yè)造成經(jīng)濟損失。由此，分析焊接變形的具體原因顯得尤為重要，其焊接變形有多種因素組成，第一為焊接應(yīng)力的大小和分布，其直接影響焊接結(jié)構(gòu)件的受力和變形，在焊接過程中，焊接應(yīng)力和焊縫的復(fù)雜程度成正相關(guān)，由于其具有一定的不確定性，材料的膨脹和收縮同樣不均勻，導(dǎo)致變形難以預(yù)估。第二為焊接結(jié)構(gòu)件的設(shè)計不合理，設(shè)計的焊縫尺寸大、數(shù)量多且分布不均勻均會加劇焊接結(jié)構(gòu)件的變形。第三為焊接工藝的制定存在問題，起重機械結(jié)構(gòu)焊接工藝的好壞直接決定加工效率，其焊接變形是否超出規(guī)定標準，直接影響機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和運作安全。因此，需要著重注意焊接工藝的選擇和設(shè)計，確保有效高效、安全穩(wěn)定。

3起重機械結(jié)構(gòu)焊接變形的控制

起重機械焊接件結(jié)構(gòu)往往比理論設(shè)想復(fù)雜，根據(jù)實際工作需求，焊接件的組成及數(shù)量不同，在焊接過程中產(chǎn)生的焊縫及焊接變形也不同，因而焊接變形的控制應(yīng)視具體工況分析而制定，通常使用工藝參數(shù)法、工裝模具法和反變形法來控制起重機械結(jié)構(gòu)件的焊接變形。（1）工藝參數(shù)法。焊接工藝參數(shù)法主要關(guān)注工藝布置和參數(shù)選擇，在焊接過程中，采用多層焊或氣體保護焊的焊接方式，利用跳焊和分段焊降低熱能對焊接變形的影響。焊接順序應(yīng)該遵循先內(nèi)后外、從中間到兩端、先短后長的對稱焊接方法，這是為了保證焊接結(jié)構(gòu)能夠受熱均勻。對于焊接應(yīng)力的去除，可以利用焊前預(yù)熱和焊后回火，盡可能地選擇適用于實際工況的參數(shù)，降低熱輸入，減小焊接變形。（2）工裝模具法。工裝模具法可采用搭焊平臺、接變位機和焊件夾具的方式控制焊接件的變形。搭焊平臺構(gòu)建在起重機械結(jié)構(gòu)焊接前需要搭焊，利用點焊固定結(jié)構(gòu)框架，保證了焊接過程中焊接件抵抗變形的能力，這種方式主要確保了機械設(shè)備的尺寸精度和位置精度，圖1為某型挖掘機鏟斗在焊接準備時采用的搭焊平臺結(jié)構(gòu)。因為起重機械重量大，受到的焊接應(yīng)力大，在焊機過程中，焊接件的位置需要進行固定定位，可采用合適的夾具加強焊接件剛性，提高焊接質(zhì)量精度。圖1搭焊平臺結(jié)構(gòu)圖還可以接變位機，由于起重機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)相對于其他機械結(jié)構(gòu)較大，因此，在焊接時可以采用焊接變位機控制焊接件的位置，保證焊縫在焊接全過程都處在最佳水平焊接狀態(tài)，解決了大型結(jié)構(gòu)件焊接不容易移動和旋轉(zhuǎn)的問題，使得焊接質(zhì)量得到保障。（3）反變形法。焊接結(jié)構(gòu)件在焊接過程中會產(chǎn)生焊接變形，其主要原因是材料膨脹和焊縫冷縮，而反變形法解決了焊接前后變形量存在差值的問題。這種方式是通過預(yù)制反方向變形抵消焊接時產(chǎn)生的變形，具體措施為在焊接裝配時，人工對焊接工件實施人為變形，根據(jù)實際的需求工況，定制提前預(yù)制反變形的大小和方向。而且在焊接時，需要注意焊接順序，先焊接收縮量大的焊縫，通常情況下，對接焊縫的焊接順序排在角焊縫之前。

4結(jié)語

起重機械結(jié)構(gòu)的焊接變形因為其本身的尺寸和重量因素，焊縫分布不均勻，焊接變形過程復(fù)雜，難以有效控制焊接變形，為提高起重機械設(shè)備的生產(chǎn)經(jīng)濟性，在保證廢品率的前提下，盡量控制焊接變形對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。綜上所述，只有控制住焊接過程中因應(yīng)力引發(fā)的變形，才能確保起重機械設(shè)備的產(chǎn)品質(zhì)量，提高加工效率和工程進度，保障人身安全。

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作者：姚行杰 單位：山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司