魏栓张沛
中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛266000
摘要:工业建造过程中为减轻自重,提升结构强度,时常会选择工艺拘束较小,结构稳定易加工成型的材料进行焊接,薄板焊接结构由于构造简单,工艺性能好,在工业建造过程中得到广泛应用?但受到自身特性影响,薄板的焊接过程中经常会发生形变和收缩现象,基于此,本文主要对薄板焊接变形的影响因素进行了分析,并在此基础上替代了一定的控制措施,旨在提升薄板焊接水平,为技术创新提供工艺参数以及方案参考?
关键词:薄板焊接;变形;影响因素;控制措施
引言
造船?车辆等制造行业在进行薄板焊接时,会出现形态各异的局部变形,这不仅影响外观,降低结构的承载能力,而且极不容易校正,往往耗费大量的人力物力,还达不到要求?薄板结构焊接变形具有复杂性?多元性,要成功实现薄板焊接变形的控制,必需了解薄板焊接变形质量影响因素?
1薄板焊接变形的影响因素
1.1焊缝的结构位置
焊缝在船体结构中的位置错误是导致焊缝形变的原因之一,应保持焊缝与焊接截面中和轴的贴近，如距离较远则会产生幅度较高的变形。
1.2焊接结构的刚性
薄板焊接的结构稳定性和刚性决定了抗侧力水平,在水体航行过程中薄板承受的水平作用力不变的前提下,刚性强度的降低会降低使用寿命,提升形变程度?
1.3焊接装焊顺序
焊接装焊顺序会影响到构建装配的稳定性和刚性,甚至引发结构重心的偏移?
1.4工艺方法和焊接参数
焊接方法会影响到结构的热变形幅度,建议采用变形度小的断续焊;焊接参数(电流?电压?和焊接速度)应符合施工标准,焊接时电压和电流的增大都将诱发变形,焊接速度的滞后会加深变形幅度,保障焊接速度是控制变形的方案之一?
1.5焊接面
由于焊接面的大小会影响到变形幅度,焊缝的数量应在符合设计标准的前提下尽可能保持控制在合理范围内;焊接的材料要符合热物理性能指标,其比热容?导热系数都会影响到变形区间,膨胀系数也应当控制在质量标准内,降低变形几率?
1.6焊接方向
焊缝位置的变化会随着焊接方向的不同而变动,从而改变航行应力状态?此外,在进行预处理时应综合考虑形变条件,对变形原因进行深入调研,多方面制订合理措施控制焊接变形?
2薄板焊接变形控制措施
2.1整体加工流程
2.1.1基准孔的加工
零件数控加工时,通常采用两孔一面作为基准(利用零件本身具有的两个通孔作为加工基准孔)?此零件不算厚,在加工孔时,将其钻通即可,而且都是借用孔(先借用钻个定位小孔,后期铣切掉,按数模铣成两个大通孔)?在钻借用定位孔时,没有高精度尺寸的严格要求,容易加工?如果毛料很厚,在加工基准孔时加工成盲孔,避免孔太深导致孔垂直度不合格?
2.1.2内形粗加工
根据实际零件状态选用大直径刀具(63R3)进行粗加工去除余量?为了减少零件控制变形,粗加工采用快进刀片浅切,每层切深1mm,并且需要跨槽加工,即不按顺序铣每一个槽,要先1槽?3槽?5槽……再铣2槽?4槽?6槽……?内外形的加强筋预留通过辅助夹具来控制加工变形?3.3精加工及闭角残留的处理在半精加工时,根据槽宽的大小,采用40R3或30R3刀具加工腹板?腹板加工到位后,再保证筋条和缘条的厚度尺寸?筋条与缘条相连接处的R角需要用16R3的刀具保证,避免大直径刀具加工后的残留量,此零件在内形局部存在闭角?为了保证零件的重量要求,用8R3刀具行切加工闭角残留处理,以满足设计需要?这样既保证加工后重量又保证数控加工后接刀光顺?
2.1.3刀具的选择及切削参数
整个切削过程中刀具的选择非常重要?粗加工时,要选择大直径刀具进行快进浅切,大直径刀具能提高加工速度;而后选用常用的40R3或30R3的刀具进行半精加工,更换刀具后,由于大直径刀具加工后转角的残留比较大,精加工时选择小直径的刀具加工时,转角处要提前处理—转角进行插铣?如不处理,粗加工后直接用小刀进行精加工,在转角处的吃刀量较大,容易打刀切伤零件?
2.2CO2气体保护自动焊对焊接变形的控制
2.2.1CO2气体保护自动焊的特点及施工工艺
1)由于焊接电流密度较大,电弧热量利用率较高,焊丝又是连续送进,焊后清渣比碱性焊条容易,因此提高了生产效率?2)CO2气体价格便宜,电能消耗小,所以焊接成本低?3)电弧加热集中,工作受热面积小,同时CO2气流有较强的冷却作用,焊接变形和应力小?4)焊缝含氢量少,抗裂性能好,焊接接头的力学性能良好,焊缝质量高?5)焊接过程可以观察到电弧和熔池的情况,故操作容易掌握,不易焊偏,有利于实现机械化和自动焊焊接?CO2气体保护焊是一种高效焊接方法,适用范围广,厚度不限,可进行全位置焊,可焊1mm以下薄板?根据内河船厂的实际情况,使用Φ1.2mm细丝,国产CO2焊机加辅助装置,焊接上层建筑薄板,获得理想的效果?
2.2.2CO2自动气保护焊减少焊接变形的原因
1)采用压力架辅助焊接装置“屋顶形”变形是对接缝的特殊变形型式,在压力架下施行CO2焊对接缝之所以能减少“屋顶形”,是由于压力架压紧块的刚性固定作用,压力架装置将拼接的两板定位?压紧?使得纵向收缩引起的弯曲变形减少,横向收缩在两端的差值也减少?压缩空气顶住铜衬垫对准缝口,以保证反面的焊缝成型;2)采用减少线能量输入的焊接工艺佐藤等人做过试验,横向变形与单位厚度的线能量成正比,CO2气体保护焊的线能量比传统工艺小得多,产生的横向变形小,其“屋顶形”变形自然也小得多?
2.3超声搅拌焊接减少变形作用及技术分析
第一,超声波热拉伸效应?超声波所具有的能量较大,在超声搅拌过程中主要以搅拌针底部振动完成传导,所以可提升焊缝底部温度,达到金属材料软化效果?超声热效应激励能够既保证焊缝底部温度增加也可保证便面温度降低,均衡处理两个方面的温度差距发挥热拉伸作用,通过对残余应力控制避免焊接变形发生?第二,超声波能量冲击效应?焊接时若温度?应力不均匀就会造成局部出现塑性变形,或出现位错结构,这种结构与其残余应力分布有着直接关系?搅拌摩擦焊接技术的应用受到搅拌头作用期温度不均,且应力不均,较容易造成残余应力分布,但通过超声搅拌焊接技术则是通过超声冲击波能力作用,通过能量锤击是残余应力区再度受到塑性变形,对原有的位错结构进行打乱,实现低弹性性能的重新构建,对残余应力实现重新分配,从而达到提升焊件稳定新的效果,强化焊件松弛刚度?超声搅拌焊接过程中超声能够实现随焊随冲击效果,其机械拉伸作用显著?
结束语
产生薄板变形的主要原因包括焊接位置的不对称,方向错误,连续焊接引发的热变形和装焊顺序的不合理等都,做好变形控制和矫正,需要在吊放?拼版?下料加工等阶段做好工艺调节和变形控制,严格依据工艺参数进行调整,确保焊接精度?望本文研究内容得到相关企业及技术部门的关注,加大船舶建造工艺措施应用实践,为控制薄板变形工艺提供建设性意见?
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