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摘要:起重機(jī)械結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中因?yàn)闇囟茸兓蛻?yīng)力分布不均會(huì)引發(fā)焊接變形,其嚴(yán)重影響了機(jī)械結(jié)構(gòu)的完整性和使用可靠性,因此,針對(duì)起重機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接變形的因素及控制的研究必不可少。本文首先論述了機(jī)械結(jié)構(gòu)金屬焊接變形的基本理論,從本質(zhì)討論材料變形的原因及影響金屬焊接變形的因素。進(jìn)而依憑起重機(jī)械結(jié)構(gòu)分析了焊接變形的種類及其產(chǎn)生的原因,并且提出了對(duì)起重機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接變形的控制方法,對(duì)大型焊接工藝提供理論指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞:起重機(jī)械;焊接變形;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
起重機(jī)械結(jié)構(gòu)由多種零部件焊接而成,在實(shí)際焊接過(guò)程中,焊接變形引起的誤差會(huì)使結(jié)構(gòu)尺寸精度下降,進(jìn)而導(dǎo)致起重機(jī)械整體結(jié)構(gòu)的承載能力下降,同時(shí),還會(huì)降低產(chǎn)品的外觀。對(duì)于起重機(jī)械結(jié)構(gòu)的焊接變形,需要投入大量的人力和物力去修補(bǔ)和完善,其工作量有時(shí)候會(huì)比起初焊接所花費(fèi)的要多,甚至在變形較大的時(shí)候,其結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行修繕,被迫廢棄。因此,考慮起重機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接變形的起因及其影響因素,進(jìn)行有效而合理的控制,可以減少損耗,對(duì)起重機(jī)械的改進(jìn)和發(fā)展都具有指導(dǎo)意義。
1機(jī)械結(jié)構(gòu)金屬焊接變形理論
1.1金屬焊接變形的基本原理
金屬材料處在高溫的環(huán)境中,當(dāng)溫度達(dá)到材料的熔點(diǎn),材料會(huì)熔化并發(fā)生熱膨脹,材料發(fā)生擠壓變形,產(chǎn)生彈性熱應(yīng)力,當(dāng)熱應(yīng)力大于材料此時(shí)的屈服極限,材料的彈性變形會(huì)轉(zhuǎn)化成塑性變形,導(dǎo)致冷卻后的材料無(wú)法恢復(fù)產(chǎn)生殘余應(yīng)力,材料在焊接區(qū)域受壓應(yīng)力,在周圍區(qū)域受拉應(yīng)力。因此,材料的“熱脹冷縮”是使材料發(fā)生變形的基本原因。起重機(jī)械結(jié)構(gòu)的焊接過(guò)程一般利用熔化焊,將需要焊接的區(qū)域進(jìn)行加熱,并加入焊接材料,帶熔池形成后進(jìn)行冷卻硬化,因此,在焊接加熱冷卻過(guò)程中,焊接區(qū)域發(fā)生冷縮,非焊接區(qū)域發(fā)生熱膨脹,產(chǎn)生殘余應(yīng)變導(dǎo)致材料的塑性變形。尤其對(duì)于焊接零部件,微觀的塑性變形,在宏觀的表現(xiàn)為尺寸變形并帶有彈性應(yīng)變能。對(duì)于單一構(gòu)件,材料發(fā)生塑性應(yīng)變的區(qū)域很少,因此,針對(duì)影響材料的焊接變形,考慮殘余應(yīng)變和彈性應(yīng)變能,進(jìn)而研究材料變形。首先,可以構(gòu)建彈性應(yīng)變能與彈性變形的關(guān)系式中,E為彈性應(yīng)變能;hi為彈性變形;ki為廣義彈性系數(shù)。又因?yàn)閺椥詰?yīng)變能與彈性應(yīng)變能密度有如下關(guān)系式中,g0為彈性應(yīng)變能密度。將(1)式帶入式(2)中,可得通過(guò)式(3)可知材料變形及應(yīng)變能的大小。
1.2金屬焊接變形的影響因素
(1)材料屬性對(duì)金屬焊接變形的影響。焊接區(qū)域的變形同時(shí)受到焊材和母材的影響,其力熱屬性決定了材料的膨脹和收縮程度,熱傳導(dǎo)系數(shù)小,溫度變化的梯度大,溫差大導(dǎo)致材料更容易變形。熱膨脹系數(shù)對(duì)材料的變形正相關(guān),而且材料的力學(xué)屬性會(huì)隨著溫度的變化而改變,通常情況下,較大的彈性模量會(huì)儲(chǔ)存較大的變形能,所累積的殘余應(yīng)力更容易引起焊接變形。(2)焊接結(jié)構(gòu)對(duì)金屬焊接變形的影響。在焊接過(guò)程中,控制工件的拘束度可有效改善焊接變形。工件本身的拘束度起主要影響,在設(shè)計(jì)時(shí),焊接結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,拘束度越大。因此,需要對(duì)為了增加結(jié)構(gòu)剛性而添加的筋板或加強(qiáng)筋的數(shù)量和位置進(jìn)行優(yōu)化處理,可適當(dāng)減小焊接過(guò)程中的工作量,同時(shí),也能對(duì)焊接變形有削弱的作用。(3)焊接工藝對(duì)金屬焊接變形的影響。焊接工藝可改變殘余應(yīng)力的位置和大小以減緩焊接變形,例如,改變焊接順序、采用新的焊接工藝方法、調(diào)整合適的焊接工藝參數(shù),同時(shí),根據(jù)工作人員的累積經(jīng)驗(yàn),也可以采用特殊的加工工藝來(lái)改善殘余應(yīng)力,降低焊接變形。
2機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接變形種類及產(chǎn)生原因
在起重機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中,其結(jié)構(gòu)件的焊接變形種類有收縮變形、彎曲變形和扭曲變形。收縮變形是因?yàn)楹缚p冷卻材料體積減小,導(dǎo)致尺度精度下降,而且焊縫收縮的方向相同會(huì)使得整體結(jié)構(gòu)的尺寸減小,影響機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。彎曲變形通常出現(xiàn)在工件尺寸較小、焊縫不對(duì)稱的區(qū)域,這是因?yàn)椴牧鲜艿胶附舆^(guò)程中應(yīng)力和變形的綜合影響。起重機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)屬于大型結(jié)構(gòu)件焊接,因此,更容易發(fā)生扭曲變形,在不均勻內(nèi)應(yīng)力的影響下,焊縫的分布沒(méi)有規(guī)律,很難進(jìn)行提前預(yù)測(cè),導(dǎo)致的結(jié)果就是焊接區(qū)域發(fā)生扭曲變形,嚴(yán)重時(shí),焊接件會(huì)無(wú)法修復(fù)。因此,起重機(jī)械結(jié)構(gòu)的焊接變形不僅影響工程機(jī)械的工作效能,而且還會(huì)給工廠企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。由此,分析焊接變形的具體原因顯得尤為重要,其焊接變形有多種因素組成,第一為焊接應(yīng)力的大小和分布,其直接影響焊接結(jié)構(gòu)件的受力和變形,在焊接過(guò)程中,焊接應(yīng)力和焊縫的復(fù)雜程度成正相關(guān),由于其具有一定的不確定性,材料的膨脹和收縮同樣不均勻,導(dǎo)致變形難以預(yù)估。第二為焊接結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)不合理,設(shè)計(jì)的焊縫尺寸大、數(shù)量多且分布不均勻均會(huì)加劇焊接結(jié)構(gòu)件的變形。第三為焊接工藝的制定存在問(wèn)題,起重機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接工藝的好壞直接決定加工效率,其焊接變形是否超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),直接影響機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和運(yùn)作安全。因此,需要著重注意焊接工藝的選擇和設(shè)計(jì),確保有效高效、安全穩(wěn)定。
3起重機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接變形的控制
起重機(jī)械焊接件結(jié)構(gòu)往往比理論設(shè)想復(fù)雜,根據(jù)實(shí)際工作需求,焊接件的組成及數(shù)量不同,在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的焊縫及焊接變形也不同,因而焊接變形的控制應(yīng)視具體工況分析而制定,通常使用工藝參數(shù)法、工裝模具法和反變形法來(lái)控制起重機(jī)械結(jié)構(gòu)件的焊接變形。(1)工藝參數(shù)法。焊接工藝參數(shù)法主要關(guān)注工藝布置和參數(shù)選擇,在焊接過(guò)程中,采用多層焊或氣體保護(hù)焊的焊接方式,利用跳焊和分段焊降低熱能對(duì)焊接變形的影響。焊接順序應(yīng)該遵循先內(nèi)后外、從中間到兩端、先短后長(zhǎng)的對(duì)稱焊接方法,這是為了保證焊接結(jié)構(gòu)能夠受熱均勻。對(duì)于焊接應(yīng)力的去除,可以利用焊前預(yù)熱和焊后回火,盡可能地選擇適用于實(shí)際工況的參數(shù),降低熱輸入,減小焊接變形。(2)工裝模具法。工裝模具法可采用搭焊平臺(tái)、接變位機(jī)和焊件夾具的方式控制焊接件的變形。搭焊平臺(tái)構(gòu)建在起重機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接前需要搭焊,利用點(diǎn)焊固定結(jié)構(gòu)框架,保證了焊接過(guò)程中焊接件抵抗變形的能力,這種方式主要確保了機(jī)械設(shè)備的尺寸精度和位置精度,圖1為某型挖掘機(jī)鏟斗在焊接準(zhǔn)備時(shí)采用的搭焊平臺(tái)結(jié)構(gòu)。因?yàn)槠鹬貦C(jī)械重量大,受到的焊接應(yīng)力大,在焊機(jī)過(guò)程中,焊接件的位置需要進(jìn)行固定定位,可采用合適的夾具加強(qiáng)焊接件剛性,提高焊接質(zhì)量精度。圖1搭焊平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖還可以接變位機(jī),由于起重機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他機(jī)械結(jié)構(gòu)較大,因此,在焊接時(shí)可以采用焊接變位機(jī)控制焊接件的位置,保證焊縫在焊接全過(guò)程都處在最佳水平焊接狀態(tài),解決了大型結(jié)構(gòu)件焊接不容易移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的問(wèn)題,使得焊接質(zhì)量得到保障。(3)反變形法。焊接結(jié)構(gòu)件在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生焊接變形,其主要原因是材料膨脹和焊縫冷縮,而反變形法解決了焊接前后變形量存在差值的問(wèn)題。這種方式是通過(guò)預(yù)制反方向變形抵消焊接時(shí)產(chǎn)生的變形,具體措施為在焊接裝配時(shí),人工對(duì)焊接工件實(shí)施人為變形,根據(jù)實(shí)際的需求工況,定制提前預(yù)制反變形的大小和方向。而且在焊接時(shí),需要注意焊接順序,先焊接收縮量大的焊縫,通常情況下,對(duì)接焊縫的焊接順序排在角焊縫之前。
4結(jié)語(yǔ)
起重機(jī)械結(jié)構(gòu)的焊接變形因?yàn)槠浔旧淼某叽绾椭亓恳蛩兀缚p分布不均勻,焊接變形過(guò)程復(fù)雜,難以有效控制焊接變形,為提高起重機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性,在保證廢品率的前提下,盡量控制焊接變形對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。綜上所述,只有控制住焊接過(guò)程中因應(yīng)力引發(fā)的變形,才能確保起重機(jī)械設(shè)備的產(chǎn)品質(zhì)量,提高加工效率和工程進(jìn)度,保障人身安全。
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作者:姚行杰 單位:山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司