薄板焊接變形控制措施的研究進展

薄板焊接變形控制措施的研究進展中國石油集團工程技術(shù)研究院中國石油集團海洋工程重點實驗室 方總濤 孫勃 李春潤中國石油集團海洋工程有限公司海工事業(yè)部 關幼耕 王志堅作者簡介：方總濤（1984-），男，碩士，2009年畢業(yè)于天津大學，主要從事焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂和數(shù)值模擬等方面的研究工作。摘 要：薄板結(jié)構(gòu)焊接最突出的問題是波浪變形，本文分析了薄板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)變形的原因，總結(jié)了目前控制薄板焊接變形的各種措施的研究進展，指出運用有限元數(shù)值模擬技術(shù)對薄板焊后變形進行預測和控制是一種有效的方法，具有廣闊的應用前景。關鍵詞：薄板；失穩(wěn)變形；控制措施；有限元法1 前 言薄板焊接結(jié)構(gòu)廣泛應用于鐵路運輸、船舶工程、航空航天飛行器、汽車工業(yè)、海上鉆井采油平臺的上層建筑等大型結(jié)構(gòu)制造領域。薄板具有重量輕、工藝性能好（易加工、易成型）和連接方便等特點。但由于其自身拘束度小，焊接時變形較大1（橫向收縮、縱向收縮、回轉(zhuǎn)變形、角變形和彎曲變形等），嚴重時會由于失穩(wěn)而產(chǎn)生波浪變形，且很難矯正，特別是對不銹鋼等一些熱膨脹系數(shù)較大的材料，變形尤為嚴重。變形不僅嚴重地影響了薄板本身的結(jié)構(gòu)強度、制造精度和使用性能，甚至會因變形而使焊接操作無法繼續(xù)進行，因此很有必要對薄板焊接變形控制技術(shù)，包括焊接變形產(chǎn)生的影響因素和控制工藝進行研究，最終用以指導生產(chǎn)實踐、提高產(chǎn)品質(zhì)量。2 薄板失穩(wěn)變形的原因薄板結(jié)構(gòu)焊接最突出的問題是波浪變形。通常對于6mm以下的薄板，要特別注意防止失穩(wěn)而產(chǎn)生波浪變形。在焊接過程中，薄板上產(chǎn)生高度不均勻的焊接溫度場，且由于受到約束作用，最終在焊接接頭區(qū)域形成殘余應力和產(chǎn)生不協(xié)調(diào)的塑性變形，焊縫附近為拉應力而遠處為壓應力。如果壓縮殘余應力的數(shù)值達到結(jié)構(gòu)的屈曲失穩(wěn)臨界載荷sr，薄板就會發(fā)生失穩(wěn)（屈曲），產(chǎn)生波浪變形。因此，焊縫金屬縱向收縮而產(chǎn)生的壓應力是導致薄板失穩(wěn)的主要原因2。t是薄板厚度，B是板寬，K是與板的支撐情況有關的系數(shù)。從上式看出，板厚與板寬的比值越小，臨界應力就越小，薄板也就越容易失穩(wěn)。因此，可以從降低殘余壓應力和提高臨界應力、薄板剛度兩方面著手以減少波浪變形。如設置加強筋或增加板厚、把薄板壓制成凸筋或波紋形等均可以減小和防止波浪變形，同時也要權(quán)衡利弊，既考慮工藝性又要考慮經(jīng)濟性。焊接失穩(wěn)變形主要受薄板幾何形狀、板面積、厚度、板件初始不平度和支承條件的影響，同時焊接方法、焊接工藝和焊接程序顯著影響焊接變形的程度。3 目前控制薄板變形的主要方法對焊接應力與變形機理的深入認識，使人們能夠通過若干不同途徑達到減少焊接變形的目的3。預防和控制薄板結(jié)構(gòu)焊接變形方面使用的方法基本上可分為三類：預防、控制和矯正?？梢詮脑O計和工藝兩個方面來解決。3.1 設計方面的措施有：3.1.1 合理地選擇焊縫的尺寸和形式；3.1.2 盡可能減少不必要的焊縫；3.1.3 合理地安排焊縫的位置；對稱地布置焊縫，并盡可能考慮將焊縫布置在靠近結(jié)構(gòu)中心線的區(qū)域內(nèi)。3.2 工藝方面的措施有：3.2.1 正確選用焊接方法和焊接材料。3.2.2 反變形法和剛性固定法：剛性固定法和反變形法是控制焊接變形的基本方法。在焊接工藝上盡可能合理運用剛性固定法和反變形法，預留收縮余量。剛性固定法是將焊件固定在有足夠剛性的胎夾具上，或是臨時裝焊支撐，以增加構(gòu)件的剛度來減小焊接變形，待焊接構(gòu)件上所有焊縫冷卻到室溫時再去掉剛性固定，這時構(gòu)件產(chǎn)生的變形將大大小于在自由狀態(tài)下的焊接變形。如果再配合其它控制焊接變形的措施，將使焊接變形控制在產(chǎn)品技術(shù)公差要求范圍以內(nèi)。 3.3 比較常用的方法還包括：3.3.1 壓鐵法：當薄板面積較大，焊縫較長時，可采用壓鐵分布在焊縫兩側(cè)來減小變形。3.3.2 散熱法：是一種在焊接過程中消除殘余應力的方法。其原理是在焊接過程中通過噴水強迫冷卻，使焊縫附近的材料所受熱量大大減少，縮小焊接熱場的分布，從而減小焊接變形。3.3.3 低應力無變形焊接法：是專門為防止薄板焊接波浪變形的一種新的焊接方法。在施焊前距焊縫一定距離處用電加熱器預熱一定寬度，在達到一定溫度時開始焊接。在焊接坡口下方布置銅墊塊，墊塊上鉆通孔通水冷卻，以便將焊接熱迅速疏散。在預熱區(qū)的外側(cè)，用機械或氣動夾緊裝置使板剛性固定。這樣在焊后，從焊縫區(qū)開始，形成了拉壓拉壓交替分布的殘余應力場。由于臨近焊縫區(qū)的壓縮殘余應力處于其兩側(cè)拉伸應力場的包圍內(nèi)，所以不能引起薄板的壓縮失穩(wěn)變形。在這里拉伸殘余應力起著一個張緊作用，或者是支撐作用，使得薄板不會因壓縮失穩(wěn)而出現(xiàn)波浪變形。在預熱區(qū)外側(cè)，由于壓縮殘余應力數(shù)值較低，而不會引起薄板的失穩(wěn)變形。3.3.4 合理選擇焊接規(guī)范參數(shù)和裝配焊接順序。焊接程序和方向的正確選擇，將會使焊后的應力、變形及裂縫的傾向減少。因此，對于一些環(huán)形焊縫及較長的焊縫，還需應用對稱焊和逐步退焊法來減少焊接變形。這是在考慮焊接工藝時必須遵循的原則。選用線能量較低、熔敷效率高的焊接方法，也可有效地防止焊接變形, 核心是熱輸入的大小，即若要減小并避免焊件的變形，最應注意的是嚴格控制線能量，即在完成焊縫焊接的前提下，盡量減少焊縫的熱輸入，從而減小焊接熱影響區(qū)，減小焊接變形及其對接頭性能的惡劣影響。例如采用CO2半自動焊來代替氣焊和手工電弧焊, 不但效率高，而且可以減少薄板結(jié)構(gòu)的變形。另外，焊接時待焊件間隙應在保證焊透的情況下，越小越好；切割熔渣與剪切毛刺應清除干凈；焊接之前應采用較小直徑的焊條進行點焊（定位焊），增加焊件剛性，這些都有利于減小焊接變形。同時合理選擇點固焊的順序、焊點距離及大小，不僅能保證焊接間隙，且具有一定的抗變形能力。3.4 矯正焊接變形的方法3.4.1 機械矯正法：利用外力使構(gòu)件產(chǎn)生與焊接變形方向相反的塑性變形, 使兩者互相抵消。或者采用錘擊法、輥壓法來延展焊縫及其周圍區(qū)域的金屬，達到消除焊接變形的目的。3.4.2 火焰加熱矯正法：是利用氣體火焰加熱構(gòu)件的伸長部分，使其在較高溫度下發(fā)生壓縮塑性變形，冷卻后收縮變短，來達到矯正變形的目的4。矯正薄板結(jié)構(gòu)的焊后變形，常用的方法主要有錘擊法、滾壓法、局部加熱矯正法等，這些方法雖能有效地控制焊接殘余變形，但各有其不足之處5。錘擊法是利用錘頭的沖擊來延展焊縫及其周圍壓縮塑性變形區(qū)域的金屬，達到消除焊接變形的目的，但勞動強度大，錘擊面粗糙，表面質(zhì)量差；滾壓法是利用圓盤形滾輪來滾壓焊縫或近縫區(qū)金屬，使之碾展伸長，來消除失穩(wěn)變形，其缺點是為了在滾壓焊縫時取得較大的塑性變形量，往往需要1020t的滾輪壓力，在大壓力下實現(xiàn)小直徑滾輪的直接剛性傳動有一定的困難；局部加熱矯正法是利用火焰局部加熱產(chǎn)生壓縮變形，冷卻后該部位金屬產(chǎn)生收縮而達到矯正變形的效果，其效果的好壞取決于操作者的技術(shù)水平，而且無法完全消除變形。另外，矯正變形往往需有專用的工藝裝備，增加了制造成本，延長了制造周期。4 有限元法由于實際結(jié)構(gòu)形式的復雜性，焊縫布置的多樣化，對薄板結(jié)構(gòu)確定一種優(yōu)化的控制變形方法仍然是十分困難的，多數(shù)情況下人們還是憑借實際經(jīng)驗，而經(jīng)驗的積累要花費很長時間和費用。對薄板采用合適的物理數(shù)學模型對其受力和變形過程進行數(shù)值分析，可省去大量的摸索實驗時間，根據(jù)有限元計算結(jié)果進行制造工藝參數(shù)的優(yōu)化，可有效地防止和控制變形。目前，利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)與板的穩(wěn)定理論相結(jié)合的方法，預測和控制焊接殘余應力和變形已成為該領域的發(fā)展趨勢和前沿。其中又分為熱彈塑性有限元法和固有應變法。熱彈塑性分析是在焊接熱循環(huán)過程中通過一步步跟蹤熱應變行為來計算熱應力和應變的，采用這種方法可以詳盡地掌握焊接應力和變形的產(chǎn)生及發(fā)展過程。隨著大型有限元軟件的開發(fā)并取得了良好的效果，這種方法被越來越多的學者采用。固有應變有限元法6是一種既能解決大型復雜結(jié)構(gòu)，又比較經(jīng)濟的預測焊接變形的方法，有很大的實用意義和發(fā)展前途。固有應變是表征材料從應力狀態(tài)切離后處于自由狀態(tài)時，與基準狀態(tài)相比所發(fā)生的應變。焊接時的固有應變包括塑性應變、溫度應變和相變應變。焊接構(gòu)件經(jīng)過一次焊接熱循環(huán)后，溫度應變?yōu)榱悖逃袘兙褪撬苄詰兣c相變應變殘余量之和。固有應變存在于焊縫及其附近，大小和分布決定了最終的殘余應力和變形。因此如果知道了固有應變的大小和分布，把它作為初始應變置于焊縫及其附近，就可以通過一次彈性有限元分析求得整個構(gòu)件的焊接變形。針對薄板結(jié)構(gòu)厚度方向尺寸遠小于其它兩個方向尺寸的特點，有人提出一種預測大型復雜薄板結(jié)構(gòu)焊后變形的數(shù)值分析技術(shù)，這種技術(shù)將二維熱彈塑性數(shù)值模擬與三維結(jié)構(gòu)屈曲分析結(jié)合起來。由二維熱彈塑性模擬計算出的應力場，加到三維結(jié)構(gòu)模型上, 進行三維結(jié)構(gòu)的彈性屈曲分析，從而得出各種條件下薄板失穩(wěn)變形模態(tài)，再結(jié)合大變形方程的攝動解，可以求得薄板的變形。該方法有效減少了計算工作量，并能進行大量的數(shù)值模擬, 評估薄板結(jié)構(gòu)尺寸、加強筋及焊縫布置等因素對焊接失穩(wěn)變形的影響。數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果的對比證實了這種方法的有效性。隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展和相關理論的不斷完善, 有限元法必將得到更加廣泛的應用。5 結(jié)束語薄板焊接變形是國內(nèi)外薄板焊接制造的一個技術(shù)難題，由于具有復雜性、多元性，許多基本理論及解決辦法還未搞清楚，嚴重影響了焊接質(zhì)量，所以有必要繼續(xù)對這一焊接難題進行研究。運用有限元數(shù)值模擬技術(shù)對薄板焊后變形進行預測和控制是一種有效的方法，具有廣闊的前景。建立一套控制薄板焊接變形的工藝措施和技術(shù)方案，為我國薄板制造技術(shù)走上新臺階，增強產(chǎn)品的整體競爭力具有重要的現(xiàn)實意義。參考文獻1 嚴紅丹.平板對接焊接變形的數(shù)值模擬.合肥工業(yè)大學碩士學位論文D, 2009.2 閻俊霞.焊接薄板結(jié)構(gòu)變形數(shù)值模