小花是某建筑施工單位焊接技工,他要在很短的時間內焊完一副結構件,要求控制好焊接變形,并且下一期的焊工培訓由他開展,主要借助這副結構件,講解焊接變形的知識。這下急的小花成了熱鍋上的螞蟻,為了快速完成這項任務,并且對焊接變形有一個深入的了解,以便開展下一期的焊工培訓,小花想到了那位可親可愛又知識淵博的張博士。

小花

加了好幾個班,終于焊好了領導分配下來的重大結構件,據說這副結構件是拿來與別的單位參加焊接比拼大賽用的。

小花,你這副構件,沒發現變形有些嚴重嗎?

小花

以前就這樣焊的啊。

但這次是拿去比賽的,你看能不能想辦法,讓他的變形小一點呢,小花再加點班想想辦法吧,公司的榮譽就靠你了。

小花

張博士好,真心求救,一副焊接構件的焊接變形如何控制到最小呢?以前在《焊接結構》這本書上見過,合理的焊接順序和有效地工裝焊接夾具都可以減輕焊接變形,能詳細給我講解下嗎?

這本書是入門級別的書,只有明白了最深層次的原理,才會把焊接變形控制到最好。上面只淺顯地講了如何控制焊接變形,但是焊接變形如何發生的,你知道嗎?

Dr.張

小花

焊接各個部分受熱不均勻,導致熱脹冷縮的程度不一樣,因此產生了焊接變形。

那么焊接殘余應力的知識你了解嗎?

Dr.張

小花

不太了解。那就請張博士以這個金屬框架為例,簡單的說明一下吧。上下是鋼性固定板,被焊在一起的三根棒子的中間部分是焊接部位,兩邊是母材。只有中間部分被高溫加熱,進行熱膨脹而伸長,而這種伸長趨勢受到兩側桿件的阻礙,不能自由地進行,因此中心桿件就受到壓縮,產生壓應力,當溫度冷到室溫時,中間部位收縮變短,而這種收縮趨勢受到兩側桿件的阻礙,不能自由地進行,因此中心桿件就受到拉伸,產生拉應力,我所了解的就只有這么多了。

實際上你剛才所提到的是焊接殘余應力在焊接變形中所起到的作用。我這里有張關于焊接方向的殘余應力引起縱向收縮示意圖,你來看一下,從圖上的等溫線可以看出中間部分受高溫加熱進行熱膨脹,而另外幾部分溫度變化小,對中間部分的熱膨脹有很強的限制作用,當溫度恢復到原始的均勻狀態后,就產生了殘余應力,引起結構件的縱向收縮。

Dr.張

小花

我們平時所見到的角變形也是這樣來的嗎?

角變形是縱向收縮變形引起來,再來看下面這張圖,這張圖是關于垂直于焊接方向的殘余應力引起縱向收縮示意圖,這張圖分加熱過程和冷卻過程,在加熱過程中,中間部分溫度變化最大,兩邊母材溫度變化相對較小些,當冷卻時候,中間部分溫度梯度大,兩邊溫度梯度小,中間部分和兩邊部分的變形量差,便形成了角變形。

Dr.張

小花

這么一說,我明白怎么回事了。

大多數情況下,橫向變形的大小與焊接線能量和板厚有關,隨著焊接線能量的提高,橫向收縮增加。隨著板厚增加,橫向收縮減少,看下面這個圖,你就會明白。

Dr.張

小花

明白了。焊接殘余應力和焊接變形聯系非常緊密,焊接殘余應力和周圍的拘束一起影響焊接變形。

看來你理解的非常深刻,焊接順序不同,所產生的拘束就不同,進而焊接變形也不一樣。采用工裝夾具是減小焊接變形的一個非常有效地方法。

Dr.張

小花

那怎樣選擇合適的焊接順序呢?

在簡單假設基礎上建立起來的一些焊接應力變形理論已不能完滿解釋復雜現象和解決疑難問題,這時候有限元模擬法和電子計算機技術為解決復雜的焊接應力變形問題提供了有力的工具,你對此有所了解嗎?

Dr.張

小花

我實在想象不到計算機能和焊接變形扯上關系啊。不過我知道計算機可以模擬汽車碰撞的過程,不知道和這個有沒有相似之處。

是的。用計算機使用有限元模擬法可以預測出焊接變形,由于時間關系,我不能給你詳細解釋了,在這里我給你舉一個簡單的例子進行說明。你過來看一下這個視頻。

Dr.張

小花

哇塞,好神奇啊!

這是應用在建筑工程上的一個大型結構件的焊接模擬效果圖,這個結構件是由16塊板組成,這個項目就是在這個模擬效果基礎上選擇了合適的焊接順序。

Dr.張

小花

學習了啊,焊接模擬可以幫助選擇合理的焊接順序,這樣就可以改變焊接變形,我現在手頭有項焊接任務,就需要借助這個模擬軟件來找出最佳的焊接順序,博士我把圖紙給您,您能幫我快速模擬一下嗎?

只是模擬,你就滿足了嗎?如果你按照模擬的順序焊接,一旦前面幾道出了意外,產生了焊接變形,那么下面的焊接就不可能按照設計圖完成。

Dr.張

小花

對啊,我怎么沒想到。有沒有什么辦法在焊接前用一些方法消除這種影響呢?

焊接模擬只是模擬了焊接順序,還不能完全解決施工問題,可以用反變形法,根據我上面講的理論,預測焊件施焊后可能產生變形的方向和大小,在焊接前應使被焊件發生大小相同、方向相反的變形,以抵消或補償焊后發生的變形,以達到防止焊后變形的目的,具體的方法是用小的塞塊塞入。

Dr.張

小花

這個辦法我以前好像用過。

但是現場焊接中并不是任何場合都可以塞入塞塊的。包括前面我所說的模擬預測也是在沒有考慮現場影響的情況下進行的。所以要以現場施工為準,預測為輔。

Dr.張

小花

有些明白了,預測還要加上現場勘測,要小心使用模擬結果。

其實通過改變焊接順序來完全消除變形是不可能的。

Dr.張

小花

也就是說博士模擬出的結果肯定是有變形的,對嗎?

是的,另外你想想還有什么辦法可以預防這種變形?

Dr.張

小花

我們平時焊接中用到的點焊法是不是也是為了預防焊接變形啊?

非常好。看來你知道了原理,點焊法正是剛性固定法的一種,這和使用夾具的原理是一樣的。但是焊點要均勻,距離不能太遠,點焊要遵循先兩邊后中間的原則。

Dr.張

小花

明白了,今天收獲真是大啊,不但徹底搞懂了焊接變形的原理,還知道了一些方法,這下我可以回去給焊工們培訓了,太謝謝博士了。

你把你的設計圖紙留下,我讓我的助理幫你快速預測一下,然后根據這個結果你再使用我教你的一些方法,這樣就能很好的控制好焊接變形了。

Dr.張

小花

太謝謝了,等以后有時間我也想學一下這個軟件。

可以的,控制好焊接變形的確很重要,否則變形嚴重很容易產生疲勞斷裂,下次有機會我把疲勞斷裂的知識跟你講一下。