18616805756 / 卜先生 18616805756 / 卜先生焊接是機(jī)械制造中不可或缺的連接工藝，但焊接過程伴隨的不均勻加熱和冷卻，往往導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生變形和應(yīng)力集中。這兩大問題不僅影響產(chǎn)品的外觀精度，更會降低結(jié)構(gòu)的承載能力、疲勞壽命和使用安全性。對于機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)而言，從設(shè)計(jì)源頭入手，結(jié)合合理的工藝措施，是控制焊接變形與應(yīng)力集中的根本之道。
一、焊接變形與應(yīng)力集中的形成機(jī)理
1.焊接變形的本質(zhì)
焊接過程中，被焊工件受到不均勻的熱量，發(fā)生的形狀、尺寸的變化稱為焊接變形。其本質(zhì)是不均勻的溫度場產(chǎn)生了超出材料屈服極限的內(nèi)應(yīng)力，從而引起塑性變形。
常見的焊接變形類型包括：橫向收縮和縱向收縮、角變形、彎曲變形、扭曲變形、波浪變形等。這些變形在實(shí)際生產(chǎn)中往往不是單獨(dú)出現(xiàn)的，而是一同呈現(xiàn)，彼此影響。
2.應(yīng)力集中的成因
焊接應(yīng)力是焊接構(gòu)件由于焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織，是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因。
當(dāng)焊接接頭區(qū)域存在幾何突變、未焊透、咬邊、裂紋等缺陷時(shí)，力流在傳遞過程中會發(fā)生急劇轉(zhuǎn)折，導(dǎo)致局部應(yīng)力顯著升高，形成應(yīng)力集中。應(yīng)力集中區(qū)域往往是疲勞裂紋的萌生地，可降低構(gòu)件疲勞壽命30%-50%。
3.變形與應(yīng)力的相互關(guān)系
焊接變形和焊接應(yīng)力是同一熱過程的兩個(gè)側(cè)面。當(dāng)焊件在焊接過程中受到較強(qiáng)的剛性約束時(shí)，變形減小但應(yīng)力增大；反之，焊件能夠自由收縮時(shí)，應(yīng)力減小但變形增大。因此，機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)需要在變形控制和應(yīng)力控制之間尋求平衡。
二、設(shè)計(jì)階段的預(yù)防策略
1.合理選擇焊縫尺寸與坡口形式
焊縫尺寸的大小不僅關(guān)系到焊接工作量，而且對焊接變形產(chǎn)生較大影響。焊縫尺度過大，焊接量就大，焊接變形就大。在確保結(jié)構(gòu)承載力和焊縫焊接質(zhì)量的前提下，應(yīng)選擇最小的焊縫尺寸。
焊縫的坡口形式對焊接變形的影響同樣顯著。坡口角度越大，熔敷金屬量就越大，沿板厚方向的橫向收縮就越不均勻，焊接變形就越大。對于厚板而言，V型坡口的熔敷金屬比X型坡口大，焊接變形也更大。因此，在機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中，對于厚度較大的板材，應(yīng)優(yōu)先選用雙面坡口（如X型、K型）以減小焊縫體積和變形。
2.優(yōu)化焊縫布置與結(jié)構(gòu)對稱性
焊縫位置應(yīng)盡可能對稱于截面中性軸，或接近于中性軸。對于對稱的焊接結(jié)構(gòu)，焊縫布置應(yīng)對稱于中性軸，由兩名焊工同時(shí)對稱施焊，可使產(chǎn)生的變形相互抵消，大大減小焊接變形。
對于不對稱的焊接結(jié)構(gòu)，則需通過合理的焊接順序來控制變形。此外，焊縫應(yīng)避免設(shè)置在幾何突變處，因?yàn)橥蛔兲幈旧砭褪菓?yīng)力集中源，疊加焊縫會加劇問題。如果不能避免，則應(yīng)設(shè)計(jì)過渡結(jié)構(gòu)。
3.遵循幾何連續(xù)性原則
幾何連續(xù)性原則要求避免在幾何突變處設(shè)置焊縫。當(dāng)焊縫連接的兩側(cè)板厚不一致時(shí)，不能保證幾何形狀的連續(xù)性，則應(yīng)設(shè)定過渡結(jié)構(gòu)-9。例如，厚板與薄板連接時(shí)，應(yīng)對厚板進(jìn)行削薄處理，使連接處平滑過渡。
4.避免焊縫重疊與交叉
多條焊縫交匯處剛性大，結(jié)構(gòu)翹曲嚴(yán)重，會加大焊縫內(nèi)應(yīng)力；同時(shí)結(jié)構(gòu)多次過熱，材料性能下降。因此，機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中應(yīng)避免焊縫重疊和交叉。具體措施包括：加輔助結(jié)構(gòu)分散焊縫、切除部分干涉區(qū)域、將焊縫錯(cuò)開布置。
5.盡量減少不必要的焊縫
在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常用筋板來提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛度，但筋板數(shù)量太多，焊縫過于密集，焊接變形就越大。應(yīng)在確保構(gòu)件強(qiáng)度的情況下，盡量減少不必要的焊縫-6。所謂“最好的焊接是最少的焊接”，減少焊縫數(shù)量和長度，既降低成本又減少變形風(fēng)險(xiǎn)。
6.避免尖角設(shè)計(jì)
焊接處尖角定位困難，且尖角熱容量小，易被熔化。設(shè)計(jì)中應(yīng)采用圓角過渡，避免尖銳的切口和拐角。
三、工藝措施的有效配合
設(shè)計(jì)階段的預(yù)防固然重要，但再好的設(shè)計(jì)也需要合理的工藝措施來落實(shí)。機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)人員需要了解常用工藝控制手段，以便在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留工藝實(shí)施空間。
1.合理的焊接順序控制
焊接順序是控制變形的有效手段。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB50661-2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》的規(guī)定，可按以下要求采用合理的焊接順序控制變形：
對接接頭、T形接頭和十字接頭，在工件放置條件允許或易于翻轉(zhuǎn)的情況下，宜雙面對稱焊接；有對稱截面的構(gòu)件，宜對稱于構(gòu)件中性軸焊接
非對稱雙面坡口焊縫，宜先在深坡口面完成部分焊縫焊接，然后完成淺坡口面焊縫焊接
對長焊縫宜采用分段退焊法或多人對稱焊接法
宜采用跳焊法，避免工件局部熱量集中
通常情況下，同時(shí)存在對接焊縫和角焊縫時(shí)，先焊對接焊縫；同時(shí)存在薄板和厚板時(shí)，先焊厚板；對同時(shí)存在連續(xù)焊縫和斷續(xù)焊縫時(shí)，先焊連續(xù)焊縫。
2.反變形法
反變形法是根據(jù)生產(chǎn)中已經(jīng)發(fā)生的變形規(guī)律，預(yù)先把焊件人為地制成一個(gè)變形，使這個(gè)變形與焊后發(fā)生的變形方向相反且數(shù)值相等，以達(dá)到抵消焊接變形的目的。
這種方法在實(shí)踐生產(chǎn)中應(yīng)用較廣泛，例如采用外力將構(gòu)件緊壓在具有足夠剛度的夾具和平臺上，使它產(chǎn)生一個(gè)反變形，然后進(jìn)行焊接。在機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)階段，應(yīng)考慮為反變形工藝預(yù)留夾具定位點(diǎn)和操作空間。
3.剛性固定法
剛性固定法的本質(zhì)是在焊接時(shí)，將焊件固定在具有足夠剛性的基礎(chǔ)上，使焊件在焊接時(shí)不能移動(dòng)，在焊接完全冷卻后再將焊件放開，這時(shí)焊件的變形要比自由狀態(tài)下焊接時(shí)發(fā)生的變形小。
研究證明，通過設(shè)計(jì)焊接夾具保證焊件處于約束狀態(tài)，對變形控制有極大作用。例如，針對薄壁圓管類零件焊接時(shí)精度較低的問題，可設(shè)計(jì)高精度、高同軸度的工裝夾具，包括定位元件、夾緊機(jī)構(gòu)、工件微調(diào)的調(diào)節(jié)裝置等。
對于重型汽車驅(qū)動(dòng)橋殼的焊接，通過在板簧墊板上施加一定壓力來實(shí)現(xiàn)定位和夾緊，使墊板產(chǎn)生預(yù)變形來抵消焊接熱產(chǎn)生的變形，從而避免了焊縫處的應(yīng)力集中。
4.預(yù)熱與焊后熱處理
預(yù)熱是為了減少焊縫和相鄰母材的收縮應(yīng)力，減緩工件在關(guān)鍵溫度區(qū)間的冷卻速率，防止工件過度硬化，減少焊縫和熱影響區(qū)的軟化；同時(shí)使氫有更多時(shí)間從焊縫和相鄰母材處擴(kuò)散，防止產(chǎn)生氫致裂紋。
焊后熱處理（PWHT）是消除殘余應(yīng)力的主要方法。去應(yīng)力退火工藝參數(shù)為：碳鋼600-650℃保溫1-2小時(shí)（每25mm厚度），可消除60-90%殘余應(yīng)力。對于大型結(jié)構(gòu)無法整體熱處理時(shí)，可采用局部熱處理，例如管道環(huán)焊縫采用陶瓷加熱毯加溫控系統(tǒng)。
5.振動(dòng)時(shí)效
振動(dòng)時(shí)效是通過振動(dòng)使工件內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力與附加的振動(dòng)應(yīng)力的矢量和達(dá)到超過材料屈服強(qiáng)度時(shí)，使材料發(fā)生微量塑性變形，從而使內(nèi)應(yīng)力得以松弛和減輕。
與熱時(shí)效相比，振動(dòng)時(shí)效設(shè)備投資少，能耗降低90%，工期從10余小時(shí)縮短至1小時(shí)之內(nèi)，且無氧化，尺寸精度穩(wěn)定，應(yīng)力消除效果可達(dá)30-50%。特別適合大型焊接件和不適合高溫時(shí)效的材料及零件。
6.錘擊與噴丸
錘擊法適用于較長的焊縫和堆焊層。焊縫金屬在冷卻時(shí)由于焊縫收縮受阻而產(chǎn)生應(yīng)力，這時(shí)趁著焊縫還在赤熱狀態(tài)下用錘輕敲焊縫區(qū)，使焊縫收縮得到補(bǔ)償，從而使拉伸殘余應(yīng)力得到松弛。
錘擊應(yīng)在較高溫度下進(jìn)行，但應(yīng)避開材料的藍(lán)脆范圍。多層焊時(shí)，第一層和最后一層焊縫不用錘擊，其余每層都要錘擊。錘擊法大多作為焊接過程中的應(yīng)力松弛手段，可用于難于進(jìn)行熱處理的奧氏體不銹鋼焊接中。
噴丸處理可在材料表面形成深度0.5-1mm的壓應(yīng)力層，提升疲勞壽命2-3倍。
7.散熱法
散熱法又稱強(qiáng)迫冷卻法，是把焊接處的熱量迅速散走，使焊縫附近金屬受熱區(qū)域大大減小，以達(dá)到減少焊接變形的目的。但應(yīng)注意散熱法不適用于具有淬火傾向的鋼板。
四、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝措施的協(xié)同
1.為焊接操作預(yù)留空間
機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)考慮焊接前、后處理的可操作性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)提供足夠大的操作空間，使焊接時(shí)易于定位、易于操作，電極不會和周圍的板粘結(jié)，焊接后便于檢查。
2.柔性設(shè)計(jì)降低內(nèi)應(yīng)力
焊接時(shí)的熱變形在冷卻后不能完全消除，產(chǎn)生殘余變形，引起熱應(yīng)力。解決措施包括：通過熱處理工藝降低熱應(yīng)力；降低焊接區(qū)周圍的剛性，從根本上減少內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。后者體現(xiàn)了“疏”而非“堵”的設(shè)計(jì)理念——讓結(jié)構(gòu)在焊接過程中有一定的自由變形空間，而不是完全剛性約束。
3.考慮材料的可焊性
材料的可焊性是機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)必須考慮的因素。對于碳鋼，碳含量應(yīng)控制在0.22%以下，以確保良好的焊接性能。對于高強(qiáng)度鋼、不銹鋼、鋁合金等材料，需要根據(jù)其特性選擇合適的焊接工藝和預(yù)處理措施。
焊接變形與應(yīng)力集中是機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中無法回避的問題，但通過科學(xué)的設(shè)計(jì)和合理的工藝，完全可以將其控制在可接受的范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)階段需要從焊縫尺寸、坡口形式、焊縫布置、結(jié)構(gòu)對稱性、幾何連續(xù)性等方面入手，盡可能減少變形的先天因素；工藝階段則需要通過合理的焊接順序、反變形、剛性固定、熱處理等手段，控制變形的后天產(chǎn)生。
機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，變形控制和應(yīng)力控制是一個(gè)需要權(quán)衡的系統(tǒng)工程。過度追求減小變形可能導(dǎo)致應(yīng)力增大，反之亦然。理想的設(shè)計(jì)是在滿足產(chǎn)品精度要求的前提下，將焊接應(yīng)力和變形控制在材料可承受的范圍內(nèi)，確保產(chǎn)品的長期可靠性和安全性。
總部位于上海五角場CBD核心區(qū)域的上海威曼機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)公司，自2003年成立以來致力于打造國際級設(shè)計(jì)企業(yè)，業(yè)務(wù)涵蓋機(jī)械設(shè)備、醫(yī)療產(chǎn)品、家電產(chǎn)品等多個(gè)領(lǐng)域，曾先后獲得iF、G-Mark等多項(xiàng)國際設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)。在機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)領(lǐng)域，威曼設(shè)計(jì)憑借對焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)特性和制造工藝的深入理解，以及專業(yè)的設(shè)計(jì)流程，幫助制造企業(yè)打造兼具精度、強(qiáng)度與可靠性的機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品。