张博士戏说：焊接顺序对焊接变形的影响

小花是某建筑施工单位焊接技工,他要在很短的时间内焊完一副结构件,要求控制好焊接变形,并且下一期的焊工培训由他开展,主要借助这副结构件,讲解焊接变形的知识。这下急的小花成了热锅上的蚂蚁,为了快速完成这项任务,并且对焊接变形有一个深入的了解,以便开展下一期的焊工培训,小花想到了那位可亲可爱又知识渊博的张博士。

小花

加了好几个班,终于焊好了领导分配下来的重大结构件,据说这副结构件是拿来与别的单位参加焊接比拼大赛用的。

小花,你这副构件,没发现变形有些严重吗?

小花

以前就这样焊的啊。

但这次是拿去比赛的,你看能不能想办法,让他的变形小一点呢,小花再加点班想想办法吧,公司的荣誉就靠你了。

小花

张博士好,真心求救,一副焊接构件的焊接变形如何控制到最小呢?以前在《焊接结构》这本书上见过,合理的焊接顺序和有效地工装焊接夹具都可以减轻焊接变形,能详细给我讲解下吗?

这本书是入门级别的书,只有明白了最深层次的原理,才会把焊接变形控制到最好。上面只浅显地讲了如何控制焊接变形,但是焊接变形如何发生的,你知道吗?

Dr.张

小花

焊接各个部分受热不均匀,导致热胀冷缩的程度不一样,因此产生了焊接变形。

那么焊接残余应力的知识你了解吗?

Dr.张

小花

不太了解。那就请张博士以这个金属框架为例,简单的说明一下吧。上下是钢性固定板,被焊在一起的三根棒子的中间部分是焊接部位,两边是母材。只有中间部分被高温加热,进行热膨胀而伸长,而这种伸长趋势受到两侧杆件的阻碍,不能自由地进行,因此中心杆件就受到压缩,产生压应力,当温度冷到室温时,中间部位收缩变短,而这种收缩趋势受到两侧杆件的阻碍,不能自由地进行,因此中心杆件就受到拉伸,产生拉应力,我所了解的就只有这么多了。

实际上你刚才所提到的是焊接残余应力在焊接变形中所起到的作用。我这里有张关于焊接方向的残余应力引起纵向收缩示意图,你来看一下,从图上的等温线可以看出中间部分受高温加热进行热膨胀,而另外几部分温度变化小,对中间部分的热膨胀有很强的限制作用,当温度恢复到原始的均匀状态后,就产生了残余应力,引起结构件的纵向收缩。

Dr.张

小花

我们平时所见到的角变形也是这样来的吗?

角变形是纵向收缩变形引起来,再来看下面这张图,这张图是关于垂直于焊接方向的残余应力引起纵向收缩示意图,这张图分加热过程和冷却过程,在加热过程中,中间部分温度变化最大,两边母材温度变化相对较小些,当冷却时候,中间部分温度梯度大,两边温度梯度小,中间部分和两边部分的变形量差,便形成了角变形。

Dr.张

小花

这么一说,我明白怎么回事了。

大多数情况下,横向变形的大小与焊接线能量和板厚有关,随着焊接线能量的提高,横向收缩增加。随着板厚增加,横向收缩减少,看下面这个图,你就会明白。

Dr.张

小花

明白了。焊接残余应力和焊接变形联系非常紧密,焊接残余应力和周围的拘束一起影响焊接变形。

看来你理解的非常深刻,焊接顺序不同,所产生的拘束就不同,进而焊接变形也不一样。采用工装夹具是减小焊接变形的一个非常有效地方法。

Dr.张

小花

那怎样选择合适的焊接顺序呢?

在简单假设基础上建立起来的一些焊接应力变形理论已不能完满解释复杂现象和解决疑难问题,这时候有限元模拟法和电子计算机技术为解决复杂的焊接应力变形问题提供了有力的工具,你对此有所了解吗?

Dr.张

小花

我实在想象不到计算机能和焊接变形扯上关系啊。不过我知道计算机可以模拟汽车碰撞的过程,不知道和这个有没有相似之处。

是的。用计算机使用有限元模拟法可以预测出焊接变形,由于时间关系,我不能给你详细解释了,在这里我给你举一个简单的例子进行说明。你过来看一下这个视频。

Dr.张

小花

哇塞,好神奇啊!

这是应用在建筑工程上的一个大型结构件的焊接模拟效果图,这个结构件是由16块板组成,这个项目就是在这个模拟效果基础上选择了合适的焊接顺序。

Dr.张

小花

学习了啊,焊接模拟可以帮助选择合理的焊接顺序,这样就可以改变焊接变形,我现在手头有项焊接任务,就需要借助这个模拟软件来找出最佳的焊接顺序,博士我把图纸给您,您能帮我快速模拟一下吗?

只是模拟,你就满足了吗?如果你按照模拟的顺序焊接,一旦前面几道出了意外,产生了焊接变形,那么下面的焊接就不可能按照设计图完成。

Dr.张

小花

对啊,我怎么没想到。有没有什么办法在焊接前用一些方法消除这种影响呢?

焊接模拟只是模拟了焊接顺序,还不能完全解决施工问题,可以用反变形法,根据我上面讲的理论,预测焊件施焊后可能产生变形的方向和大小,在焊接前应使被焊件发生大小相同、方向相反的变形,以抵消或补偿焊后发生的变形,以达到防止焊后变形的目的,具体的方法是用小的塞块塞入。

Dr.张

小花

这个办法我以前好像用过。

但是现场焊接中并不是任何场合都可以塞入塞块的。包括前面我所说的模拟预测也是在没有考虑现场影响的情况下进行的。所以要以现场施工为准,预测为辅。

Dr.张

小花

有些明白了,预测还要加上现场勘测,要小心使用模拟结果。

其实通过改变焊接顺序来完全消除变形是不可能的。

Dr.张

小花

也就是说博士模拟出的结果肯定是有变形的,对吗?

是的,另外你想想还有什么办法可以预防这种变形?

Dr.张

小花

我们平时焊接中用到的点焊法是不是也是为了预防焊接变形啊?

非常好。看来你知道了原理,点焊法正是刚性固定法的一种,这和使用夹具的原理是一样的。但是焊点要均匀,距离不能太远,点焊要遵循先两边后中间的原则。

Dr.张

小花

明白了,今天收获真是大啊,不但彻底搞懂了焊接变形的原理,还知道了一些方法,这下我可以回去给焊工们培训了,太谢谢博士了。

你把你的设计图纸留下,我让我的助理帮你快速预测一下,然后根据这个结果你再使用我教你的一些方法,这样就能很好的控制好焊接变形了。

Dr.张

小花

太谢谢了,等以后有时间我也想学一下这个软件。

可以的,控制好焊接变形的确很重要,否则变形严重很容易产生疲劳断裂,下次有机会我把疲劳断裂的知识跟你讲一下。