薄板焊接变形控制措施的研究进展

摘要：薄板结构焊接最突出的问题是波浪变形，本文分析了薄板结构失稳变形的原因，总结了目前控制薄板焊接变形的各种措施的研究进展，指出运用有限元数值模拟技术对薄板焊后变形进行预测和控制是一种有效的方法，具有广阔的应用前景。1前言薄板焊接结构广泛应用于铁路运输、船舶工程、航空航天飞行器、汽车工业、海上钻井采油平台的上层建筑等大型结构制造领域。薄板具有重量轻、工艺性能好（易加工、易成型）和连接方便等特点。但由于其自身拘束度小，焊接时变形较大[1]（横向收缩、纵向收缩、回转变形、角变形和弯曲变形等），严重时会由于失稳而产生波浪变形，且很难矫正，特别是对不锈钢等一些热膨胀系数较大的材料，变形尤为严重。变形不仅严重地影响了薄板本身的结构强度、制造精度和使用性能，甚至会因变形而使焊接操作无法继续进行，因此很有必要对薄板焊接变形控制技术，包括焊接变形产生的影响因素和控制工艺进行研究，最终用以指导生产实践、提高产品质量。2薄板失稳变形的原因薄板结构焊接最突出的问题是波浪变形。通常对于6mm以下的薄板，要特别注意防止失稳而产生波浪变形。在焊接过程中，薄板上产生高度不均匀的焊接温度场，且由于受到约束作用，最终在焊接接头区域形成残余应力和产生不协调的塑性变形，焊缝附近为拉应力而远处为压应力。如果压缩残余应力σ的数值达到结构的屈曲失稳临界载荷σsr，薄板就会发生失稳（屈曲），产生波浪变形。因此，焊缝金属纵向收缩而产生的压应力是导致薄板失稳的主要原因[2]。t是薄板厚度，B是板宽，K是与板的支撑情况有关的系数。从上式看出，板厚与板宽的比值越小，临界应力就越小，薄板也就越容易失稳。因此，可以从降低残余压应力和提高临界应力、薄板刚度两方面着手以减少波浪变形。如设置加强筋或增加板厚、把薄板压制成凸筋或波纹形等均可以减小和防止波浪变形，同时也要权衡利弊，既考虑工艺性又要考虑经济性。焊接失稳变形主要受薄板几何形状、板面积、厚度、板件初始不平度和支承条件的影响，同时焊接方法、焊接工艺和焊接程序显著影响焊接变形的程度。3目前控制薄板变形的主要方法对焊接应力与变形机理的深入认识，使人们能够通过若干不同途径达到减少焊接变形的目的[3]。预防和控制薄板结构焊接变形方面使用的方法基本上可分为三类：预防、控制和矫正。可以从设计和工艺两个方面来解决。3.1设计方面的措施有：3.1.1合理地选择焊缝的尺寸和形式；3.1.2尽可能减少不必要的焊缝；3.1.3合理地安排焊缝的位置；对称地布置焊缝，并尽可能考虑将焊缝布置在靠近结构中心线的区域内。3.2工艺方面的措施有：3.2.1正确选用焊接方法和焊接材料。3.2.2反变形法和刚性固定法：刚性固定法和反变形法是控制焊接变形的基本方法。在焊接工艺上尽可能合理运用刚性固定法和反变形法，预留收缩余量。刚性固定法是将焊件固定在有足够刚性的胎夹具上，或是临时装焊支撑，以增加构件的刚度来减小焊接变形，待焊接构件上所有焊缝冷却到室温时再去掉刚性固定，这时构件产生的变形将大大小于在自由状态下的焊接变形。如果再配合其它控制焊接变形的措施，将使焊接变形控制在产品技术公差要求范围以内。3.3比较常用的方法还包括：3.3.1压铁法：当薄板面积较大，焊缝较长时，可采用压铁分布在焊缝两侧来减小变形。3.3.2散热法：是一种在焊接过程中消除残余应力的方法。其原理是在焊接过程中通过喷水强迫冷却，使焊缝附近的材料所受热量大大减少，缩小焊接热场的分布，从而减小焊接变形。3.3.3低应力无变形焊接法：是专门为防止薄板焊接波浪变形的一种新的焊接方法。在施焊前距焊缝一定距离处用电加热器预热一定宽度，在达到一定温度时开始焊接。在焊接坡口下方布置铜垫块，垫块上钻通孔通水冷却，以便将焊接热迅速疏散。在预热区的外侧，用机械或气动夹紧装置使板刚性固定。这样在焊后，从焊缝区开始，形成了拉—压—拉—压交替分布的残余应力场。由于临近焊缝区的压缩残余应力处于其两侧拉伸应力场的包围内，所以不能引起薄板的压缩失稳变形。在这里拉伸残余应力起着一个张紧作用，或者是支撑作用，使得薄板不会因压缩失稳而出现波浪变形。在预热区外侧，由于压缩残余应力数值较低，而不会引起薄板的失稳变形。3.3.4合理选择焊接规范参数和装配焊接顺序。焊接程序和方向的正确选择，将会使焊后的应力、变形及裂缝的倾向减少。因此，对于一些环形焊缝及较长的焊缝，还需应用对称焊和逐步退焊法来减少焊接变形。这是在考虑焊接工艺时必须遵循的原则。选用线能量较低、熔敷效率高的焊接方法，也可有效地防止焊接变形,核心是热输入的大小，即若要减小并避免焊件的变形，最应注意的是严格控制线能量，即在完成焊缝焊接的前提下，尽量减少焊缝的热输入，从而减小焊接热影响区，减小焊接变形及其对接头性能的恶劣影响。例如采用CO2半自动焊来代替气焊和手工电弧焊,不但效率高，而且可以减少薄板结构的变形。另外，焊接时待焊件间隙应在保证焊透的情况下，越小越好；切割熔渣与剪切毛刺应清除干净；焊接之前应采用较小直径的焊条进行点焊（定位焊），增加焊件刚性，这些都有利于减小焊接变形。同时合理选择点固焊的顺序、焊点距离及大小，不仅能保证焊接间隙，且具有一定的抗变形能力。3.4矫正焊接变形的方法3.4.1机械矫正法：利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形,使两者互相抵消。或者采用锤击法、辊压法来延展焊缝及其周围区域的金属，达到消除焊接变形的目的。3.4.2火焰加热矫正法：是利用气体火焰加热构件的伸长部分，使其在较高温度下发生压缩塑性变形，冷却后收缩变短，来达到矫正变形的目的[4]。矫正薄板结构的焊后变形，常用的方法主要有锤击法、滚压法、局部加热矫正法等，这些方法虽能有效地控制焊接残余变形，但各有其不足之处[5]。锤击法是利用锤头的冲击来延展焊缝及其周围压缩塑性变形区域的金属，达到消除焊接变形的目的，但劳动强度大，锤击面粗糙，表面质量差；滚压法是利用圆盘形滚轮来滚压焊缝或近缝区金属，使之碾展伸长，来消除失稳变形，其缺点是为了在滚压焊缝时取得较大的塑性变形量，往往需要10~20t的滚轮压力，在大压力下实现小直径滚轮的直接刚性传动有一定的困难；局部加热矫正法是利用火焰局部加热产生压缩变形，冷却后该部位金属产生收缩而达到矫正变形的效果，其效果的好坏取决于操作者的技术水平，而且无法完全消除变形。另外，矫正变形往往需有专用的工艺装备，增加了制造成本，延长了制造周期。4有限元法由于实际结构形式的复杂性，焊缝布置的多样化，对薄板结构确定一种优化的控制变形方法仍然是十分困难的，多数情况下人们还是凭借实际经验，而经验的积累要花费很长时间和费用。对薄板采用合适的物理数学模型对其受力和变形过程进行数值分析，可省去大量的摸索实验时间，根据有限元计算结果进行制造工艺参数的优化，可有效地防止和控制变形。目前，利用有限元数值模拟技术与板的稳定理论相结合的方法，预测和控制焊接残余应力和变形已成为该领域的发展趋势和前沿。其中又分为热弹塑性有限元法和固有应变法。热弹塑性分析是在焊接热循环过程中通过一步步跟踪热应变行为来计算热应力和应变的，采用这种方法可以详尽地掌握焊接应力和变形的产生及发展过程。随着大型有限元软件的开发并取得了良好的效果，这种方法被越来越多的学者采用。固有应变有限元法[6]是一种既能解决大型复杂结构，又比较经济的预测焊接变形的方法，有很大的实用意义和发展前途。固有应变是表征材料从应力状态切离后处于自由状态时，与基准状态相比所发生的应变。焊接时的固有应变包括塑性应变、温度应变和相变应变。焊接构件经过一次焊接热循环后，温度应变为零，固有应变就是塑性应变与相变应变残余量之和。固有应变存在于焊缝及其附近，大小和分布决定了最终的残余应力和变形。因此如果知道了固有应变的大小和分布，把它作为初始应变置于焊缝及其附近，就可以通过一次弹性有限元分析求得整个构件的焊接变形。针对薄板结构厚度方向尺寸远小于其它两个方向尺寸的特点，有人提出一种预测大型复杂薄板结构焊后变形的数值分析技术，这种技术将二维热弹塑性数值模拟与三维结构屈曲分析结合起来。由二维热弹塑性模拟计算出的应力场，加到三维结构模型上,进行三维结构的弹性屈曲分析，从而得出各种条件下薄板失稳变形模态，再结合大变形方程的摄动解，可以求得薄板的变形。该方法有效减少了计算工作量，并能进行大量的数值模拟,评估薄板结构尺寸、加强筋及焊缝布置等因素对焊接失稳变形的影响。数值模拟结果与实测结果的对比证实了这种方法的有效性。随着计算机软硬件技术的发展和相关理论的不断完善,有限元法必将得到更加广泛的应用。5结束语薄板焊接变形是国内外薄板焊接制造的一个技术难题，由于具有复杂性、多元性，许多基本理论及解决办法还未搞清楚，严重影响了焊接质量，所以有必要继续对这一焊接难题进行研究。运用有限元数值模拟技术对薄板焊后变形进行预测和控制是一种有效的方法，具有广阔的前景。建立一套控制薄板焊接变形的工艺措施和技术方案，为我国薄板制造技术走上新台阶，增强产品的整体竞争力具有重要的现实意义。