谢平光 郭冬 关晓明
徐州世通重工机械制造有限责任公司 江苏省徐州市 221001
摘要：焊接应力、焊缝收缩、热胀冷缩变形，对钢结构焊接尺寸有重要影响；通过采用合理的拼焊顺序、焊缝坡口尺寸、工装控制、焊接工艺等，对钢结构焊接质量控制有重要意义。
关键词：焊接变形；焊接变形的成因；焊接变形的种类
铁路工程轨道车钢结构主要由型材、箱形梁、板材拼焊而成，在制作过程，由于存在焊接变形现象，各图纸尺寸易超差不符合要求，超差后修复难度大，需要花多倍的人力、物力，且修复效果不理想，达不到原有状态，有的结构件超差后无法修复而报废，造成较大损失。由于结构件焊接变形控制不理想，导致结构件焊接后变形量较大，机加工余量较多，迫使结构件焊接后需加工部位的下料预留余量居高不下。控制结构件焊接变形量是焊接结构件制作行业的当务之急，因此，选择合理的拼焊顺序、控制焊缝坡口尺寸、采用反变形预留尺寸方法、采用合理焊接方法等系列措施，对钢结构焊接变形进行控制、保证各处尺寸一次性合格，具有重要意义。公司攻关人员经过多年对结构件制作过程和焊接变形量的分析、总结，探索出几点较为有效的轨道车钢结构件焊接变形控制办法。
1钢结构件焊接变形产生的原因、基本类型及影响因素
（一）焊接变形的原因
金属结构内部由于焊接时不均匀的加热和冷却产生的内应力叫焊接应力。由于焊接应力造成的变形叫焊接变形。所谓接变形是指钢结构在焊接过程中，由于施焊电弧高温引起的变形，以及焊接完成后在构件中的残余变形现象。在这两类变形中，焊接残余变形是影响焊接质量的主要因素，也是破坏性最强的变形类型。在焊接过程中，不均匀的加热，使得焊缝及其附近的温度很高，而远处大部分金属不受热，其温度还是室内温度。这样，不受热的冷金属部分便阻碍了焊缝及近缝区金属的膨胀和收缩；因而，冷却后，焊缝就产生了不同程度的收缩和内应力（纵向和横向），就造成了焊接结构的各种变形。金属内部发生晶粒组织的转变所引起的体积变化也可能引起焊件的变形。这是产生焊接应力与变形的根本原因。在焊接过程中，不均匀的加热，使得焊缝及其附近的温度很高，而远处大部分金属不受热，其温度还是室内温度。这样，不受热的冷金属部分便阻碍了焊缝及近缝区金属的膨胀和收缩；因而，冷却后，焊缝就产生了不同程度的收缩和内应力（纵向和横向），就造成了焊接结构的各种变形，产生焊接应力与变形的原因具体总结如下：（1）焊件的不均匀受热。（2）焊缝金属的收缩。（3）金属组织的变化。（4）焊件的刚性和拘束。
（二）焊接变形的基本类型及影响因素
焊接变形一般有角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形和尺寸收缩，这些变形都是基本的变形形式，各种复杂的结构变形都是这些基本变形的发展、转化和综合。
2控制轨道车钢结构件焊接变形的工艺措施
经过近年来的制作经验总结，对钢结构制作尺寸的控制，控制轨道车钢结构件焊接变形的工艺措施主要从以下几方面加以全面考虑：
（一）以轨道车主车架为例，可以采用合理的焊接顺序控制变形：（1）可以先将两中梁、端梁、中横梁定位，再分别将旁承梁、牵引梁、边横梁、边梁定位，焊接时，一般考虑从里往外、从中间往两端的焊接顺序，避免焊接扭曲现象。（2）对双面非对称坡口焊接，宜采用先焊深坡口侧部分焊缝、后焊浅坡口侧、最后焊完深坡口侧焊缝的顺序；（3）对长焊缝宜采用分段退焊法或与多人对称焊接法同时运用。对于具有对称焊缝的工作，最好由成对的焊工对称进行焊接。这样可以使由各焊缝所引起的变形相互抵消一部分。（4）宜采用局部焊法，避免工件局部加热集中。
（二）宜采用反变形法控制角变形。
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（三）工装固定对减小变形很有效，且焊接时不必过分考虑焊接顺序。缺点是有些大件不易固定，且焊后撤除固定后，焊件还有少许变形和较大的残余应力。在轨道车主车架制作过程中，由于产品形状复杂，尺寸不大，又是成批生产的焊件，可设计一个能够移动的专用焊接胎具，增加结构焊接时的性，既可以防止变形，又能提高生产率。在容易发生变形的部位临时焊上一些支撑或拉杆，增加工件的刚性，也能有效的减少焊接变形。
（四）对于大型结构宜采取分部组装焊接、分别矫正变形后再进行总装焊接或连接的施工方法。型材或板材、箱形梁焊接对接时，控制好焊缝间隙。25b的工字钢及槽钢焊接时，角焊缝间隙一般控制在0～2㎜范围内，对接焊缝坡口宽度控制在8～10㎜范围。
（五）主车架上、下平面采用锁紧、限位焊接时，要保持上、下平面同时限位，避免上、下平面焊接成形时焊缝收缩不一致，造成车架载面出现等腰梯形现象
（六）从设计方面考虑防止焊接变形。合理的构件截面、焊接尺寸、焊接位置、焊缝截面和坡口形式。制定合理的工艺措施和焊接工艺参数：型材或板材、箱形梁焊接对接时，控制好焊缝间隙，尺寸收缩采用预放置尺寸方法，根据近期主车架制作经验，一般每道焊缝收缩量在0.6～1.0㎜左右。
（七）可采用CO2气体保护焊，发热量较小，减少焊接应力及变形。并且尽可能采用平焊，保证焊缝均匀，收缩一致。
（八）反变形法焊前进行装配时，预置反方向的变形量为抵消（补偿）焊接变形，这种方法叫做反变形法。
（九）强风冷却 即用压缩空气将焊接处的热量迅速散走，使焊缝附近的金属受热面大大减少，达到减小焊接变形的目的。
（十）锤击焊缝法即用圆头小锤对焊缝敲击，可减少焊接变形和应力。因此对焊缝适当锻延，使其伸长来补偿这个缩短，就能减小变形和应力。锤击时用力要均匀，一般采用0.5Kg—1.0Kg的手锤。底层和表面焊道一般不锤击，以免金属表面冷作硬化。其余各道焊完一道后立刻锤击，直至将焊缝表面打出均匀致密的点为止。
（十一）在产品试制时,多次测量了后车架产生焊接收缩变形最大位置处的数据。根据测量到的数据,组立时在收缩变形最大位置增加可调节工艺支撑。其中最高抗拉强度竟达825MPa左右,焊接接头整体抗拉强度高。分析认为,由于惯性摩擦焊技术具有高转速、大顶锻压力、短摩擦时间等工艺特点,焊接界面热影响区小,并且碳元素从42CrMo侧向K418侧扩散量少,在K418侧基体内形成的脆性碳化物数量少。此外,焊接界面两侧硬度分布均匀,硬度梯度突变小,在拉伸过程中,软化区与硬化区的变形相对均匀,不容易在软、硬焊接界面处产生裂纹。
结束语：
作者结合多年工作经验主要探讨了结构件焊接变形产生的原因以及预防焊接变形的措施，对于结构件发生多种形式的焊接变形，认清变形规律，明白残余应力的存在与变形的产生是相互转化的，就不难从中找到防止减少和纠正变形的措施。因此,采用惯性摩擦焊技术获得了抗拉强度高的异种材料连接件。采用惯性摩擦焊技术获得了连接质量良好的K418与42CrMo异种材料焊接件。焊接过程中发生摩擦面转移现象,碳原子扩散导致K418侧含有少量非连续网状碳化物。焊接界面两侧硬度均匀过渡,焊接接头抗拉强度均在750MPa以上,整体抗拉强度高,惯性摩擦焊工艺适合于焊接性差的异种金属材料焊接。
参考文献：
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论文作者:谢平光,郭冬,关晓明
论文发表刊物:《防护工程》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/7
标签：应力论文; 钢结构论文; 尺寸论文; 车架论文; 措施论文; 抗拉强度论文; 金属论文; 《防护工程》2018年第25期论文;