赵忠刚

(山东能源机械集团，山东泰安 271222)

0 引言

山东能源机械集团在制造各类煤矿机械的过程中，焊接结构件是主要内容之一。在对大型结构件制做过程中，焊接变形是不可完全避免的，其焊接变形严重影响着结构件的制造精度、加工效率及成本控制;同时，结构件的焊接变形还会增加结构件的内应力，并对焊道引起拉伤、撕裂、扭曲、弯折等危害，弱化了结构件的整体强度［1］。因此，结构件的焊接变形成了公司重点攻关项目。

1 减小结构件焊接变形的措施

当然，体积很小的结构件有的是不会产生焊接变形的，但其焊道收缩的内应力却是必然存在的，或许由于结构件板材较厚、体积小、焊道少，使其焊道收缩内应力还未达到让其变形的情况。但是，大型结构件的焊接变形是必然存在的，只是大小的问题。目前，减小和控制大型结构件的焊接变形，可从以下两方面实施。

1．1 从设计方面减小焊接变形的措施

很多大型结构件的焊接变形主要是由于设计结构缺陷导致的，这往往是生产厂家忽略的问题，厂家只是一味从施工方面进行控制和减小结构件焊接变形［2］。从设计方面控制结构件焊接变形就是针对部分结构件的焊接变形从源头上实施的控制，否则，有些结构件的焊接变形是无法减小的。设计结构件时，可以从以下方面进行优化，达到控制焊接变形。

(1)贴板类组件。在大型结构件设计中，有很多组件是由两板贴合组焊而成的。在焊接这类组件的过程中，贴合的两板由于焊道的收缩，必然发生中间部位“鼓肚”的现象，从而导致两板贴合不实。当产品在使用过程中受到较大载荷时，其鼓肚现象还会增大，存在着进一步导致焊道横向变形加剧或撕裂的隐患。为此，对于大型贴合板组件，要根据其面积和板的厚度及焊道大小而引起贴合板焊接变形的程度，在贴合板上增设塞焊孔，从根本上杜绝了贴合板的鼓肚现象。

(2)角焊道结构优化。角焊道是结构件设计中采用的焊道方式最多的情形，但是，单边角焊道往往存在着使大型结构件发生较大的焊接变形的重大隐患。所以，在设计结构件时，尽量采取对称式的角焊道，以控制和减小结构件的焊接扭曲及弯折等。

(3)坡口类焊道代替单边角焊道。对于质量要求严格而确实无法实施对称焊接的角焊道，务必要改为坡口焊道的设计方式。因为，坡口焊道收缩对板材的受力影响是导致板材受到和板面基本平行的纵、横拉力，对板材变形方面只有很小的弯曲效应。

(4)对于精度要求较高的结构件，可以设计为分体焊接，焊后进行机械加工;对于复杂的结构件，再结合通常的组件焊接变形情况和部件精度要求，进一步对其中的组件进行组焊后机械加工，最后，整体组焊成型的设计方式。

(5)筋板的设计优化。对于跨主筋板焊道的横向筋板，要在其与主筋板焊道的接触处设计让道“豁口”，以减小结构件整体的成型间隙和交叉焊道的集中收缩而造成的较大焊接变形;同时，为减小结构件的焊接变形，对横向筋板的上方尺寸须控制在“无间隙”的焊接状态，只是成型时将底板横向预弯一定的角度，成型的实际情况还是有间隙的，只是焊后的结构件达到无间隙焊接的效果。对于主筋板贴合处尺寸，根据通常结构件的焊后变形量，可采取“两端稍高，中间略洼”的设计状态，从设计上起到预先“反变形”。

(6)结构件的材质选择。在保证结构件使用强度的条件下，尽量选择碳当量较低的母材，达到减小焊接的预热温度或实现无预热焊接效果，以控制结构件的焊接变形量。

1．2 从施工方面减小焊接变形的措施

在对大型结构件实施焊接过程中，其焊接变形和焊道裂纹是重点控制对象，而许多焊道裂纹［3］是由于结构件的焊接变形引起的。

(1)选择气体保护焊接方式，以较小的焊接热输入量来控制结构件的焊接变形量。

(2)成型时，预先根据结构件的变形部位和变形大小，对其采取对应的反变形，或者采取“背对背”的方式进行控制变形程度。

(3)对于薄型件，采取将其焊接边缘预先压紧的方式进行施焊。

(4)对于高精度结构件，采取预先机械加工各零部件的组焊方式，以减小或控制由于成型间隙导致的焊接变形。

(5)对部件打底焊之前，必须先补焊其较大的成型间隙或缺口，预先减小成型间隙，控制其焊接变形情况。

(6)对关键件和焊接变形较大的零部件可采取整体预热的方式，使工件的热胀冷缩变形与焊道的冷缩达到同步的效果，以控制其焊接变形状态。

(7)选择较小的焊接参数，控制焊接线能量的输入，尽量减小焊接的热输入，做好温度控制，防止急冷，从根本上控制结构件的焊接变形。

(8)对于特长的焊道，可采取分段焊接的方式，以减少焊道的热量集中诱发的焊接变形;对于较长的焊道，也可采取从焊道中间向两端施焊的方式，以使被焊接的组件达到同步热胀的统一变形状态，最终，达到同步冷缩的效果，杜绝了由于变形量不等而造成的结构件焊接扭曲、褶皱及弯折式的综合变形情况。

(9)对结构件的对称角焊道，尽量采取采取同步对称焊接的方式;对于无法避免的单边角焊道，尽量采取分段焊接的方式，防止由于焊道热值的极度增大和长久保持而导致的严重焊接变形。

(10)采取多层多道焊接方式以控制焊道的温度，减少由于较高的焊接温度带来的焊件热胀量，控制焊接变形量。

(11)在焊接过程中，对焊道要及时进行高频锤击。对于精度要求较高和变形严重的焊件，最好是边焊接边锤击，用焊道延展的方法减小焊接变形量。

(12)对于面积相对较大的焊件，尽可能采取边焊接边整形的方式，将变形量控制在焊接的过程中，防止焊完后出现无法整形的变形情况。

(13)对于复杂的大型结构件，可以采取分体施焊再组焊的方式，防止热量集中而造成的长时间高温下的大幅度变形。

(14)在变形较大的部位增设足够强度的撑筋，并预留部分焊接后的收缩量，进一步控制焊接变形。

(15)在焊接大型薄类结构件时，可采取对焊接部位之外的地方加水冷却控制整体结构件温度的方法，达到控制变形的效果。

(16)形状复杂且面积较大的部件，可采取对焊接部位实施高温预热，以使工件焊后达到与焊道同步收缩的效果，控制焊接变形量。

2 结语

总之，从设计方面控制结构件焊接变形是必要的因素之一，能从源头上控制结构件部分焊接变形的效果，除上述分析外，在实际设计中还会有其它引起焊接变形的情况，设计人员应该做到充分、细致的考虑，优化结构，力争做到从设计源头上控制部分焊接变形。从施工方面控制焊接变形的情况更加繁琐，施工人员必须掌握金属材料热胀冷缩的特性，明确金属液体变为固体的收缩状态，熟知焊接间隙和热量的各类控制因素及反变形控制方法。对于复杂的结构件焊接时，可以采取工艺验证的方式进行摸底。大型结构件的焊接变形是必然的，只是变形大小的问题，要结合实际情况采取得当的方法加以减小和控制，以提高产品的焊接质量和综合成本控制，提高产品的整体制做效率和社会效益。

［1］ 陈祝年．焊接工程师手册［M］．北京:机械工业出版社，2002．

［2］ 李亚江，张永喜，王 娟．焊接修复技术［M］．第二版．北京:化学工业出版社，2008．

［3］ 王 勤，朱援祥，王莉莉．焊接接头残余应力的计算模拟［J］．机械，2014(10):27-29．