浅析不锈钢薄板焊接变形机制及工艺改进

王婷

摘 要：本文介绍了不锈钢薄板罐体制造工艺，不锈钢薄板焊接工艺以及焊接变形控制。并对焊接方法进行了对比，简要阐述了焊接过程，优化了焊接工艺，展示了不锈钢薄板罐的焊接效果。

关键词：不锈钢薄板;焊接;变形;工艺

前言

由于不锈钢车体与普通碳钢车体相比具有重量轻便、运行寿命长、焊装工艺简单、无须涂装、维修简便等优点，并且与铝合金车体相比又具有耐磨性强、疲劳强度高、维修简便、成本低廉的优点，因此不锈钢车体成为了城市轨道的首选。由于不锈钢车体多采用薄板焊接而成，不锈钢薄板在焊接時存在的焊接质量差、焊接结构变形等问题比较突出，本文结合当前不锈钢薄板焊接当中存在的变形问题，对不锈钢焊接工艺进行了分析，提出了相应的解决办法，并对焊接的效果进行展示，以达到进一步提高不锈钢薄板焊接的质量。

一、不锈钢薄板焊接变形问题

在不锈钢薄板焊接的过程当中，导致不锈钢薄板变形主要是不锈钢相对碳钢导热系数小，线膨胀系数大，在焊接过程中受到局部加热、冷却作用，形成不均匀的加热、冷却状态。不锈钢板的对接焊缝附近产生焊接拉应力，而在两侧离焊缝较远的区域为压应力，薄板承受不了这种应力而失去稳定，产生波浪变形。

现场实际拼装时，对接缝装配间隙的大小以及下料工序不严谨也会产生外观缺陷。对接缝间隙过小或无间隙时，焊接过程中的热收缩引起横向位移，使热影响区及其附近区域在高温作用下产生失稳变形，并使熔池前方的薄板挠曲、隆起、错边;对接缝间隙过大时，焊接过程产生的热收缩使得工件横向位移而达不到保持熔池前方的接缝间隙，甚至烧穿。下料时对接边缘不平直，会使对接缝局部位置的横向收缩不能自由进行，收缩不均匀而产生焊接变形。

二、不锈钢薄板焊接工艺分析

1、焊接材料

不锈钢焊接要求按“等成分原则”选择焊材。焊接前采用较小直径的焊条进行点焊（定位焊），以增加焊件刚性，有利于控制焊接变形。

本文选择的案例为不锈钢薄板罐的外罐。由于不锈钢薄板罐外罐的厚度为3mm，采用钨极惰性气体保护焊（TIG），保护气体为Ar 为 99.99%的氩气。当焊接电流为50-150 A时，氩气流量为8-10 L/min;当焊接电流为150-250 A时，氩气流量为12-15 L/min。

本文采用的T4003焊材的化学成分如下所示：

2、T4003的焊接性分析

T4003不锈钢是一种铁素体不锈钢，该种型号的不锈钢焊接部位弯曲性、机能性较好，一般的火车车体等均采用该种型号的钢材制作。铁素体不锈钢不含镍，主要元素为铬（>10%）和铁，铬是是不锈钢特别耐腐蚀的元素，其价格相对稳定。这类钢具有导热系数大，膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点，多用于制造耐大气、水蒸气、水及氧化性酸腐蚀的零部件。

3、焊接方法对比

目前采用较多的不锈钢薄板的焊接方法有气体保护电弧焊、手工焊等。对比这几种焊接方法可知，气体保护电弧焊比一般电弧焊的生产效率较高、生产成本要低，是一种较为理想的焊接方式。一般而言气体保护电弧焊主要是采用氩弧焊，另外氩弧焊气体保护焊还具有以下几个优势：

（1）可保护气体隔绝空气中的氧气和氮气等气体对电弧和熔池产生的不良影响，同时减少可合金元素的烧损，使焊接质量得到很大的提高。

（2）电弧燃烧稳定，热量集中，弧柱温度高，对于不锈钢薄板热影响区窄，焊件变形倾向小。

（3）焊接工艺性能好，飞溅小，烟尘小，脱渣容易，焊后无需清渣。

（4）熔敷速度快，操作简单，生产效率高。

所以氩弧焊是一种高效、优质、低耗、节能的焊接方法。完全能够满足不锈钢薄板罐的焊接质量要求。因此本文主要选择氩弧焊作为本文的焊接方法。

三、焊接工艺及参数优化

根据上述不锈钢薄板的焊接工艺分析，为了提高不锈钢薄板焊接工艺的质量，本文介绍了具体焊接工艺、焊接顺序，并优化了参数，较好控制了焊接变形，圆满完成了罐体焊接。

1、焊接工艺过程

由于不锈钢薄板罐的罐体的面积较大，而两段的底板的面积较小，因此针对大面积的罐体采用点焊，针对底板采用焊条进行焊接。

（1）筒体直径为800mm，故筒体纵、环缝采用点焊电弧焊进行焊接。

（2）为保证焊接质量，先将支架在下面焊好，即将方管按要求先焊成一个框架，将钢板四周点焊到焊接平台上，将焊接好的支架放到钢板上定位好，按照从里到外的顺序将支架和钢板铆焊到一起，注意焊点不要太大。焊接罐体与底板之间的焊缝，为了避免热输入量过大，可以采用焊两道焊缝之后休息一下，等温度稍微降低一点儿了再焊。完全焊接完毕后，等工件温度完全降下来了再将钢板与焊接平台周围的点焊点磨掉，从平台上取下工件。

（3）接管与平焊法兰角焊缝、接管与外罐角焊缝，鉴于此部位焊缝形状和焊接条件，一般选用焊条电弧焊。若接管直径太小，为了减少焊接难度，也可以采用TIG焊。

（4）底部与外罐壳体焊接角焊缝属非承压焊缝，采用熔化极气体保护焊保护气体为纯CO2，效率高，焊缝成形好。

2、优化焊接工艺参数

不锈钢材料，导热系数较小、热膨胀系数较大，焊接后较易塑性变形及产生焊接应力，同样的焊接电流就可以得到较大的熔深（与低合金钢相比）;材料电阻率大，焊条电弧焊时一定注意防比焊条发红过热，影响氩气的稳弧及保护作用。因此，焊接时采用焊接能量集中的焊接方法是理想的选择，并且尽量选择较小焊接电流。不锈钢焊接操作时，要注意严防焊接接头产生晶间腐蚀、热裂纹等缺陷。要防比晶间腐蚀及消除“贫铬现象”，在安排焊接工艺时，应该正确选择焊接材料，注意控制焊缝的冷却速度。要防比热裂纹的产生，注意有效控制焊缝杂质含量。施焊操作中要避免过高的焊接热输入，否则将增大近缝区的敏化温度范围，其结果将使焊缝热影响区的耐蚀性降低。确定焊接参数时，要选用较小焊接热输入的焊接方法。在焊条电弧焊操作时，要采用小直径焊条施焊，采用快速多层多道焊，非常必要。

经过对焊接电流、焊接电压、焊接速度、气体流量的合理匹配，得出了一组飞溅少、成型良好的焊接参数，见表2。焊后对试板进行X射线检测，未发现焊缝内部有未熔合、未焊透、气孔等缺陷，而且焊接试板的变形量≤3°。

四、不锈钢薄板焊接变形控制

最科学的方法是采用多点加热的方法对不锈钢薄板产生的凸凹变形进行矫正，一般情况下，加热点直径不小于15mm，加热点与加热点之间的距离应该根据薄板的变形量大小来制定，正常的情况下在50-100mm范围内。通过采用焊接后消除残余应力热处理法克服钢制焊接构件的变形研究表明，为了更好的防治不锈钢薄板焊接后回弹变形，稳定构件的尺寸，通过缝隙试样、板条、板块试样等方式强制焊接后，再对构件进行热处理焊后热处理可以有效的克服薄板焊接的变形。

通过控制焊接顺序减小变形。本文在焊接不锈钢薄板罐时，先采用不锈钢氩弧焊焊接罐壁间纵缝，再焊接环缝。焊接时接触腐蚀介质的内侧焊缝最后施焊。朝同一方向采用分段退焊或跳焊法施焊，焊接时严格控制层间温度不超过100℃。罐顶组焊应在罐底检查合格后进行，罐顶板组对应按划好的等分线对称铺设。罐顶属搭接焊缝，焊接时先焊环向短焊缝，再焊径向长焊缝。

几张薄板拼焊时，采用合理的焊接顺序，尽量使焊缝能够自由收缩，减少内应力，从而减少变形。短焊缝将薄板连接成可自由收缩的长条状，直通的长焊缝在纵横向上均无限制，自由状态下成形，整张拼接板焊接应力很小，變形也很小。实质是减少焊接热输入，避免焊缝区域热量持续叠加，缩小焊接区与结构整体之间的温差。另外把焊接部件一端垫高，成15°-20°，做下坡焊，可提高焊接速度和减小熔深，有利于防止烧穿和减小变形。

五、取得的效果

采用如上所述的焊接工艺及变形控制的措施，经焊接检验，焊缝成形美观，飞溅少，焊接变形量小，分隔板间距离偏差在±1 mm范围内。满足了产品的质量要求。

从焊接工艺评定结果可以看出，采用氩弧焊焊接不锈钢，氩气对焊缝无增碳现象，且力学性能达到了标准要求，化学成分可满足耐腐蚀性能要求，因此完全可用于储罐的焊接。

六、结论

不锈钢材料已经成为了我国的交通、运输、化工、船舶建筑等行业的重要材料之一。目前不锈钢制成的车辆已经成为了国际上城市快速轨道车辆的主流，我国各城市也都在大力发展城市轨道交通，因此不锈钢罐体的前景和需求也不可限量，各个制造企业也已开始积极进行技术准备和制造，这势必大大促进我国轨道车辆用不锈钢焊接工艺的不断完善和发展。基于此本文主要结合不锈钢焊接当中存在的变形问题，对不锈钢焊接工艺进行优化设计，结合焊接装配图展示装配效果。根据上述关于不锈钢薄板的焊接工艺及变形分析可知，要提高不锈钢薄板焊接的质量，尽量减小变形，在具体的焊接操作当中，操作员不仅需要加强焊接技能的锻炼，而且需要选择合适的焊接方法以及焊接工艺。

参考文献

[1]《电焊机》，周世杰等，成都电焊机研究所

[2]《制造技术与机床》，董强等，机床杂志社

[3]《焊接学报》，张洲等，机械工业出版社

[4]《重型机械》，云涛等，机械工业出版社