大型结构件焊接变形控制方法

摘要

本发明提供了一种大型结构件焊接变形控制方法。该方法有在零件下料和结构件装配尺寸上预留收缩余量，并将大型结构件划分为若干子部套，分别将各子部套先装配，再焊接；将焊接好的各子部套装配为整体，再焊接；焊后结构件整体退火去应力；在热处理后运输前，在结构件的相关部位布置拉筋。焊接工艺采用以富氩气体保护焊为主、焊条电弧焊打底焊的焊接方法。它有效地克服了结构复杂，整体刚性差，焊接量大，焊接变形大，装配精度高等难点；明显地控制了大型结构件的焊接变形，达到设计要求，为缩短生产周期、降低劳动成本、提高生产效率创造了良好条件。

说明书

技术领域

本发明涉及金属构件的焊接方法，尤其涉及大型结构件焊接变形的控制方法，主要解决因结构原因在焊接制造中存在的焊接变形。

背景技术

大型结构件具有以下特点：结构复杂，尺寸大，整体刚性较差，但局部刚性强。由于焊缝较多，焊接量大，装焊过程中焊缝收缩产生的焊接变形量非常大；同时由于结构件本身的不对称结构极易产生扭曲变形；并且在退火后由于刚性差、存在残余应力等原因，在后续工作中产生较大的变形。

目前，在大型结构件的焊接生产中工艺一般通常采用以下几种方式进行变形控制：

1.利用反变形来控制焊接变形。但由于零件尺寸不变，造成制造过程中零件无法装配或装配间隙过大，加大了焊接难度和焊接量，不仅无法控制变形，反而会增加变形；

2.通过刚性固定来加强结构件的刚性，在一定程度上可以预防结构件焊接过程中的挠曲变形、角变形和波浪变形。但是刚性固定仅针对的是装配、焊接及热处理过程，在焊接、热处理完工后，因为焊接残余应力的释放和缸体本身整体刚性差，在热处理后的转运和整体加工时极易产生的变形；

3.采用目前成熟的二氧化碳气保护及焊条电弧焊为主的焊接方法。但这两种焊接方法的热输入都较大，焊接变形也更大；

4.一般以结构件中分面为基准，从下往上、从内到外进行装焊；焊接时要求采用对称焊接。但对于结构复杂的大型结构件，由于不对称的或收缩较大的焊缝无法自由收缩，不能较好地控制结构的焊接变形。

由于目前常规采用的工艺措施不能良好地控制大型结构件的焊接变形，导致大型结构件的返修量、返修率和返修难度非常之大。不仅降低了产品质量、生产效率，还延长了生产周期，增加了生产成本。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术现状，在常规控制变形措施的基础上，进一步研究发明可行的大型结构件焊接变形的控制方法。

本大型结构件焊接变形的控制方法，包括如下步骤：

1).在下料时，对零件尺寸和结构件装配尺寸预留焊接收缩余量；

2).将大型结构件划分为若干子部套，分别将各子部套先装配，再焊接；并采用特殊焊接工艺焊接；

3).将焊接好的各子部套总装布置适当工艺拉筋，然后进行整体焊接；并采用特殊焊接工艺焊接；

4).焊后结构件整体退火去应力；

5).在热处理后运输前，在结构件的相关部位布置拉筋。

所述拉筋是可调拉筋，所述工艺拉筋是临时不可调拉筋。

上述大型结构件的特殊焊接工艺是以富氩气体保护焊为主、焊条电弧焊为辅，包括步骤：先用焊条电弧焊进行打底焊，再用富氩气体保护焊将焊缝焊满。

所述特殊焊接工艺还包括在焊接前将结构件焊接部位用低温加100-150℃。

所述特殊焊接工艺还包括在焊缝的两面同时对称施焊。

本发明的积极有益效果：由于采用了上述控制焊接变形技术，有效地克服了结构复杂，整体刚性差，焊接量大，焊接变形大，装配精度高等难点；明显地控制了大型结构件的焊接变形，达到设计要求，为缩短生产周期、降低劳动成本、提高生产效率创造了良好条件。

附图说明

图1是厚板多层焊缝中的应力分布示意图。

图2-1是板比较长时焊接后横向和纵向收缩变形示意图。

图2-2是板比较短时焊接后横向和纵向收缩变形示意图。

图3是结构件焊接后角变形示意图。

图4是结构件焊接后挠曲变形示意图。

图5是本发明为结构件整体预放收缩余量示意图。

图6、图7是本发明为结构件零件预放收缩余量示意图。

图8、图9是本发明为结构件可调拉筋的布置示意图。

具体实施方式

首先介绍引起焊接变形的主要因素及变形类型，参见图1至图5。

1.焊接应力对变形的影响

焊接结构的应力集中变化较大，焊缝的形状和焊缝的布置必然会影响应力的分布，使应力集中在较大的范围内变化，对焊接变形和裂纹影响较大。以低碳钢厚板多层焊缝的应力分布为例进行分析。

由图1可见：焊后在焊缝根部产生较大的横向拉应力，极易产生裂纹，同时产生较大的向上曲张变形。

2.焊接接头形式对变形的影响

焊接接头的结构设计会影响应力状态，从而对焊接变形产生很大影响。大型结构件的主要接头形式为角焊缝和对接焊缝，不同的接头形式对焊接残余变形的影响：

1).纵向收缩变形：装焊件焊接后在焊缝方向发生收缩，见图2-1、图2-2；

2).横向收缩变形：装焊件焊接后在垂直焊缝方向发生收缩，见图2-1、图2-2；

3.角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移，见图3；

4.错边变形：在焊接过程中，两焊接件的热膨胀不一致，可能引起长度方向上的错边和厚度方向上的错边；

5.挠曲变形：装焊件在焊接后由于焊缝的纵向和横向收缩引起挠曲变形，见图4。

控制上述焊接变形采取如下方法：

从大型结构件整体上通过理论分析、计算并结合实际生产经验综合确定结构件收缩余量分布，参见图5。在此基础上，对部分零件备料时预放焊接收缩余量，参见图6、图7。余量值的确定详见后面计算公式。

对大型结构件采用划分子部套分别进行装焊，对于结构不对称，并能独立装焊的部件，先单独装配，再焊接。由于焊缝的自由收缩，其焊接变形可得到充分的控制，而不至于影响结构件整体，并有提高结构件整体刚性的作用。

在上述各子部套装焊合格的基础上，将各子部套进行总装焊接，配置适当的工艺拉筋。实施例，见图5：工件1、2、3通过工艺拉筋4装配连接被定位，再进行整体焊接；这就避免了因子部套焊接和总装焊接的变形导致结构件整体变形的不利后果。

总装焊后将结构件整体退火，除去应力，以防止应力变形。

在热处理后、运输前，在结构件内的相关部位布置可调拉筋5、6(见图8、图9)，调整好拉筋的长度，使之符合结构件的几何尺寸，用于克服后续工序中例如整体加工、转运和运输过程中产生的变形。

具体的焊接方法如下：

焊接工艺采用以富氩气体保护焊为主、焊条电弧焊为辅，以减少热输入，并根据各焊缝的具体情况选用最佳焊接工艺参数进行焊接。

先以焊条电弧焊打底，再用富氩气体保护焊焊满焊缝。

对焊缝有效厚度大于50mm的接头及结构刚性强的待焊部位，焊前采取低温加热方式预热至100-150℃。

焊缝两面同时对称施焊，严格控制焊层间的温度梯度。

预放焊接收缩量参见图5、图6、图7，收缩量可按下式确定：

(1).对接接头多层焊的纵向收缩量：

$$ >>\Delta L>=>>>>k>1>>·>>k>2>>·>>F>H>>·>L>>F>>>(>mm>)>>>$$

式中

    F_H——单道焊缝截面积mm²；

    F——构件截面积mm²；

    ΔL——纵向收缩量mm；

    L——构件长度mm；

    K₁——系数，对于低碳钢的CO₂焊K₁＝0.043；

    K₂——多层焊的纵向收缩系数，

    K₂＝1+85·ε_s·n；

$$ >>>ϵ>s>>=>>>\sigma >s>>E>>,>>$$

n——层数。

对于有角焊缝的丁字接头的构件，由收缩量公式算得的收缩量再乘以系数1.15～1.40即为该构件的纵向收缩量。

(二).对接接头多层焊的横向收缩量：

$$ >>\Delta B>=>0.18>>>F>H>>\delta >>>(>mm>)>>>$$

式中ΔB——对接接头横向收缩量mm；

    F_H——焊缝截面积mm²；

    δ——板厚mm。

根据上述纵向和横向收缩量计算公式，代入实际产品结构尺寸数据进行计算出纵向收缩量ΔL(mm)、横向收缩量ΔB(mm)，考虑结构刚性，一般取拘束度系数为K₃＝0.3-0.6，则结构件的轴向收缩量为：

          ΔL_A＝K₃(ΔL+2ΔB)(mm)

(下料时，板材若有拼缝，也按上式对接接头确定收缩量)

根据计算结果和实际生产经验综合考虑，结合产品不同材质、板厚和焊接接头形式来预放焊接缩收余量，即在计算结果的基础上再加上经验修正值ε，ε一般取2-6mm。以图5至7为例，纵向、轴向、横向收缩余量为ΔL+ε、ΔL_A+ε、ΔB+ε，参见图5。从结构件整体上考虑，将ΔL、ΔL_A、ΔB的计算结果落实到相关零件的下料尺寸，使零件下料后就有收缩余量，同时将ε落实到装焊放样尺寸上，以保证收缩放量的一致性。