薄板件焊接变形的控制

(武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050)

薄板件焊接变形的控制

李庆宁

(武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050)

本文从焊接变形的基本理论出发，通过对不同焊接方法和焊接材料焊接薄板时的变形进行研究，得出控制薄板焊接变形的工艺措施和控制方法，应用于实船，取得了满意的效果。

薄板焊接；变形研究；工艺措施；实船应用

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 薄板结构焊接变形

在金属焊接热循环过程中，局部金属的膨胀和收缩伴随产生相应的应变，即引起焊接变形，从而导致焊接结构的形状和尺寸偏离设计的规定。在各种类型的焊接变形中，对薄板结构影响最大的有：骨架与板焊接后的角变形和波浪变形，拼板对接缝的“屋顶形”。这些变形产生的原因是在焊接过程中产生了不可恢复的残余塑性变形，而在随后的冷却过程中，焊接接头区金属体积重新分布，焊接残余应力的大小决定了焊接变形的程度。

1.1 角变形

1.1.1堆焊

在平板上进行堆焊时，堆焊的高温区,金属热膨胀由于受到附近温度较低区金属的阻碍而受到挤压，产生压缩塑性变形。角变形的大小取决于压缩塑性变形区的大小、分布情况和结构的刚度。高温区越宽，压缩塑性变形量越大，压缩塑性变形也越大。根据国内外研究成果，对于低碳钢而言，当线能量与板厚比值qn/δ2=2500 cal/cm3时，角变形β达到最大值。

1.1.2对接焊

对接焊角变形与坡口型式，焊缝截面积、焊接方法和焊缝层数有关。对于实际薄板焊接时，还是与塑性变形区的大小和分布有关。

1.1.3角焊缝

薄板焊接时，由于薄板刚度小，焊接过程中受压应力作用易产生失稳，使角变形方向不定。为了进一步研究角变形，通过对焊接接头纵向收缩体积和横向收缩体积的计算式进行分析和研究。

1)根据焊接接头区的金属在焊接过程中产生的塑性应变可以推得纵向收缩体积为[2]

(1)

式中：VX—焊接接头的纵向收缩体积;α—线胀系数;cρ—体积热容;qn—焊接线能量;μX—焊接接头纵向收缩系数。

对于薄板结构，如果考虑散热对纵向收缩体积的影响，则

式中：KT—散热对纵向收缩体积的影响系数。

2)横向收缩体积[2]

(2)

式中：Vy—焊接接头横向收缩体积;μy—焊接接头横向收缩系数。并且μy=-(1.4+0.5μX)

1.2 波浪变形

薄板在承受压应力时，当其中的压应力达到某一临界数值时，薄板将因出现波浪变形而丧失承载能力，这种现象我们称之为失稳。

板失稳的临界应力值

(3)

式中：δ—板厚;B—板宽;K—与板的支承情况有关的系数。

由公式(3)可以看出，板厚越薄，越容易造成失稳变形。

所有焊缝的纵向收缩会产生焊接压应力，当压应力值大于板失稳的临界应力值时，板将失去稳定性，产生波浪变形，如图1。

图1 由焊接接头纵向收缩引起的变形

骨架板列焊后，纵向残余应力分布[3]如图2所示，近焊缝区受拉，其应力值达到材料的屈服极限σs，远离焊缝的母材区受压，取两焊缝间的板材为研究对象，由于应力分布几乎沿构件的整个面积(焊缝处很窄的塑性区除外)都是均匀的，因此将其受压应力所产生的效果由板条两端承受的外加压应力等效代替。

图2 焊接加强筋引起的残余应力

塑性变形区：σ1=σs

非塑性变形区：σ2=σ压

根据物体静力平衡条件有：

σ2·(B-b)=σ1·b

式中:b—塑性变形区的宽度;B—整个板的宽度。

若式中分子、分母同乘以δ(板厚)

则

(4)

VX—接头的纵向收缩体积;F—板列的截面积。

这就说明，波浪变形与塑性变形区大小、板宽、板厚、板的支承情况等因素有关。

1.3 薄板对接时的“屋顶形” 变形

“屋顶形”变形是在焊接过程中，沿焊缝长度横向收缩不均匀引起的，在每条焊缝两端，横向收缩较小，中间收缩较大，如图3。

图3 沿板列端缝(边缝)两端的“屋顶形”

图4 横向收缩在焊缝长度上的分布

假设一平板对接焊，焊接方向如图4，在焊缝的始端，板材的原始温度较低，此时热源开始作用而建立的温度场高温区较窄，因而横向收缩ΔB值也较小，随着热源向前移动，温度场的高温区域随之扩大，焊缝塑性变形区也扩大，冷却后的收缩值也增大。且先焊的焊缝的横向收缩对后焊的焊缝产生一个挤压的作用，使后者产生更大的横向压缩变形，这样，焊缝的横向收缩沿着焊接方向是由小到大逐渐增加的，到一定长度后趋于稳定。而在焊缝末端由于纵向变形的影响，而使横向收缩减小，这就形成了薄板对接对时的“屋顶形”变形。

2 甲板骨架板列结构焊接变形的控制

内河快速船舶上层建筑甲板的板厚3 mm～4 mm，一个分段由数块钢板拼接而成，这些对接缝若采用埋弧焊或手工焊焊接都会产生相当大的“屋顶形”变形，整个板呈波浪形。甲板与骨架的大量角接缝焊，则产生柱形波浪变形和骨架下的肋骨变形，造成装配施工困难，结构的尺寸达不到设计要求，凸凹不平的甲板大大影响了船舶的外型美观。

经过大量的试验，使用压力架下的CO2气体保护自动焊，焊接薄板对接缝，使用CO2气体保护半自动焊，焊接角接缝，可以减少变形量。

2.1 不同焊接方法的变形量测试试验

使用δ=4 mm的试板，裁成宽60 mm，长600 mm的条形板，拼成有6～7条对接缝的板块8块，分别采用手工焊和CO2气体保护自动焊。CO2气体保护自动焊的试板波浪最大挠度值比手工焊小一半。手工焊对接缝部位呈屋顶状变形，两端呈不规则翘曲。最大变形达15～20 mm。

将L5×40×40的角钢与δ4×60的板条拼成丁字形用手工焊与CO2焊接平角接位置和立角接位置焊缝，同时还进行CO2气体保护焊的立向下行焊，试验结果都证明，焊的变形量比手工焊小得多。

2.2 CO2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

采用CO2气体保护焊的优点[4]：

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1 mm以下薄板。根据内河船厂的实际情况，使用Φ1.2 mm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，拼板采用的压力架装置如图5。

图5 压力架下自动气体保护焊拼板1.紫铜衬垫；2.平台；3.焊枪；4.左压紧块；5.右压紧块；6.工件

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。

表3-1 三种焊接方法焊接4mm板对接缝的焊接规范

线能量的计算公式[5]

(5)

式中波浪变形的实质是焊接残余压应力超过板失稳的临界应力值。从计算公式(5)中可看出，影响压应力数值大小的线能量是影响波浪变形的重要因素。将表3-1中的数字代入公式(5)，经过计算得出，CO2气保护焊的线能量比另外两种方法小得多，这就是CO2气体保护焊减少变形的原因。

3 骨架板列角接缝引起的变形及控制

内河船舶上层建筑的甲板骨架列多做成平面分段，施行手工电弧焊，焊后不可避免地形成波浪形，最大挠度可达8 mm～10 mm。

在结构型式等设计因素已定的条件下，只能通过减少线能量。加快母材散热等工艺因素的改变来实现减少波浪变形的目的，试验表明，当焊脚K值一定时，三种方法输入的线能量是：

手工焊qn=40000 K2J/cm

埋弧焊qn=30000 K2J/cm

CO2气体保护焊qn=20000 K2J/cm

采用CO2气保护焊焊接角焊缝，可以大大减少母材的热输入量，从而也使板材的波浪变形大大减小。由于CO2气保护焊的熔深大，气流对焊缝下面的冷却作用强。导致焊缝正反面的温差小，使角变形得以控制。

为了进一步控制变形，还需采取正确的施焊程序和焊接方向，为此，我们自制了CO2气保护焊的辅助装置，使焊枪的臂长加大，方便移动，一个平面分段可在四个角上布置4台焊机和4台辅助装置，每台焊机完成1/4分段的焊接工作量，采用从中间向四方前进的次序，做到焊接时的焊缝均匀对称的，减少了平面外的挠曲，焊机布置见图6。

图6 甲板平面分段CO2气体保护焊现场施工图

4 轻型围壁的焊接变形及其控制工艺

内河快速船舶上层建筑轻型围壁采用1.5 mm厚的薄板压制成条形筋板，采用传统的手工电弧焊方法，变形很大，难以保证围壁板的平整度和美观性。

4.1 围壁结构型式及变形倾向

典型压筋围壁的单元结构形式见图7，在一个小单元结构中，有对接、角接、搭接三种类型的焊缝，角接缝有连续与间断及点焊三种规格，若采用传统使用的手工焊操作，不仅会产生波浪变形，而且电流稍大就有烧穿成一个个空洞的危险，既难看又难以救。

图7 围壁单元预制、压筋板和下沿板电阻点焊搭接图

4.2 典型压筋围壁的单元预制焊接的试验研究及实船应用

典型压筋围壁的单元预制采用电阻点焊。电阻点焊是一种高效率的接触焊，利用电阻加热再加压的方法，使两个分离表面的金属接近到晶格距离，形成金属键，从而得到含足够多共同晶粒的焊点，点焊原理见图8。

图8 电阻点焊原理图

4.2.1电阻点焊的研究试验

点焊接头的形成过程，一般包括预压、加热、冷却结晶三个阶段，与电弧焊相比，其输入的线能量小得多[6]，主要表现：

1)热源为电阻热，只熔化一点，比电弧焊的热量小得多；

2)电阻点焊机一般都有铜电极水冷系统，散热好；

3)只在焊点处加热，塑性变形仅限于焊点及其周围极小的面积区域，引起的残余应力，应变都很小，见图9。

图9 焊点周围残余应力分布图

4)电阻点焊代替电弧焊完成条形板与压筋板的搭接焊缝见图7，有着异常显著的优越性：

a.不会形成薄板烧穿的缺陷和成型不良的现象；

b.没有变形倾向，而电弧焊搭接却产生很大的波浪变形；

c.适合于内场小单元组装、批量作业生产效率高；

d.电阻点焊不需填充焊接材料，可降低生产成本。

4.2.2电阻点焊的实船应用

为创造良好施工条件，形成批量流水线，将围壁结构预制成小单元。选用臂较长的电阻点焊机，并在焊机前配置一个小平台架、工件放在平台架上，送到点焊机的电极下焊接搭接缝，减少了变形，操作方便，提高了焊接生产效率。点固焊不仅能保证焊接间隙，而且具有一定的抗变形能力。但要考虑点固焊焊点的数量、尺寸及间距。

4.3 围壁上船组装焊接变形的控制

在船舶主体结构上安装上层建筑的围壁是比较困难的，一是甲板不平或围壁端部不平会造成上下端角接焊缝间隙大，难以焊好。二是围壁与上下沿板，与扶强材的角焊缝为全位置焊缝，很容易烧穿，尤其是立向焊缝，焊接速度慢，变形大，成型差。如何解决好立向角接缝防止围壁总装焊接变形的关键。

4.3.1立向下行焊条试验研究

立向下行焊条是一种专门用来焊接立向角接缝的高效焊条，与普通焊条的使用不同之处在操作时，从上往下焊，，与普通焊条相比它具有以下优点：

1) 操作简单，减轻焊工的劳动强度，提高生产效率两倍以上；

2) 节约焊条约30～40%；

3) 焊条工艺性能好，接头质量高，焊缝外观成型美观，不会出现凸型缝；

下行焊条的化学成分和机械性能与普通焊条相同，所不同的是熔渣的成分和性能有较大区别。它的熔渣的粘度和表面张力要大些，凝固温度范围窄，在电弧吹力和表面张力的共同作用下，金属熔池不致于因为重力作用向下滴落，而快速凝固的熔渣一方面覆盖在熔池表面，阻止空气侵入，另一方面，强迫熔池快速凝固而不滴落，因而采用立向下焊条，可得到成型的连续焊缝。

4.3.2实船应用

采用CJ426角型下行焊条进行工艺试验，小单元上船与散装的条型板组装，条型板上装焊U型扶强材，都有相当多的立角接缝，用下行焊条施焊，速度快、焊接变形小，围壁外形平整、美观。

5 结 语

薄板焊接变形是国内外薄板焊接制造的一个技术难题。本文主要针对薄板焊接变形产生的影响因素和控制工艺进行研究与探索。

1)针对快速船舶薄板结构、压筋围壁不同的部位和结构，通过采用新的高效焊接材料和焊接方法是完全可以控制的。

2)单元内场组装为电阻点焊的应用提供了有利条件，高效焊的应用必须以一定的工艺装备与良好的装配质量为前提，不仅可减少一半的变形量，且节约材料50%，节省工时1倍半以上，是内河船厂大力推广的先进技术。

1 王长生,薛小怀，楼松年等.薄板焊接变形的影响因素及控制.焊接质量控制与管理，2005，34(4):66-68.

2 中国机械工程学会焊接学会，北京：机械工业出版社，1992.

3 船体结构的焊接变形 苏C.A库兹米诺夫著 王承权译 北京：国防工业出版社，1978.

4 陈裕川.焊工手册.北京：机械工业出版社，2006.

5 英若采，熔焊原理及金属材料焊接，北京：机械工业出版社，2000.

6 赵喜华.压力焊.北京：机械工业出版社，1996.

ResearchontheControllingoftheDeformationProcessofSheetMetalWelding

LIQing-ning

(Wuhan Institute of shipbuilding technology, Wuhan 430050,china)

Based on the basic theory of welding distortion, this essay studies different welding methods and the deformation of welding materials, and obtains the sheet welding deformation process control measures which are applied to real ship, with satisfactory results achieved.

welding of sheet metals; deformation study; design measures; real ship application

TG48

A

1671-8100(2017)04-0027-05

2017-05-22

李庆宁，女，教授，主要从事船舶工程技术方面的教学和科研工作。

(责任编辑：谭银元)