專(zhuān)利名稱(chēng)：大型結(jié)構(gòu)件焊接變形控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬構(gòu)件的焊接方法，尤其涉及大型結(jié)構(gòu)件焊接變形的控制方法，主要解決因結(jié)構(gòu)原因在焊接制造中存在的焊接變形。
背景技術(shù)：
大型結(jié)構(gòu)件具有以下特點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸大，整體剛性較差，但局部剛性強(qiáng)。由于焊縫較多，焊接量大，裝焊過(guò)程中焊縫收縮產(chǎn)生的焊接變形量非常大；同時(shí)由于結(jié)構(gòu)件本身的不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生扭曲變形；并且在退火后由于剛性差、存在殘余應(yīng)力等原因，在后續(xù)工作中產(chǎn)生較大的變形。
目前，在大型結(jié)構(gòu)件的焊接生產(chǎn)中工藝一般通常采用以下幾種方式進(jìn)行變形控制1.利用反變形來(lái)控制焊接變形。但由于零件尺寸不變，造成制造過(guò)程中零件無(wú)法裝配或裝配間隙過(guò)大，加大了焊接難度和焊接量，不僅無(wú)法控制變形，反而會(huì)增加變形；2.通過(guò)剛性固定來(lái)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)件的剛性，在一定程度上可以預(yù)防結(jié)構(gòu)件焊接過(guò)程中的撓曲變形、角變形和波浪變形。但是剛性固定僅針對(duì)的是裝配、焊接及熱處理過(guò)程，在焊接、熱處理完工后，因?yàn)楹附託堄鄳?yīng)力的釋放和缸體本身整體剛性差，在熱處理后的轉(zhuǎn)運(yùn)和整體加工時(shí)極易產(chǎn)生的變形；3.采用目前成熟的二氧化碳?xì)獗Ｗo(hù)及焊條電弧焊為主的焊接方法。但這兩種焊接方法的熱輸入都較大，焊接變形也更大；4.一般以結(jié)構(gòu)件中分面為基準(zhǔn)，從下往上、從內(nèi)到外進(jìn)行裝焊；焊接時(shí)要求采用對(duì)稱(chēng)焊接。但對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)件，由于不對(duì)稱(chēng)的或收縮較大的焊縫無(wú)法自由收縮，不能較好地控制結(jié)構(gòu)的焊接變形。
由于目前常規(guī)采用的工藝措施不能良好地控制大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形，導(dǎo)致大型結(jié)構(gòu)件的返修量、返修率和返修難度非常之大。不僅降低了產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率，還延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期，增加了生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述技術(shù)現(xiàn)狀，在常規(guī)控制變形措施的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究發(fā)明可行的大型結(jié)構(gòu)件焊接變形的控制方法。
本大型結(jié)構(gòu)件焊接變形的控制方法，包括如下步驟1).在下料時(shí)，對(duì)零件尺寸和結(jié)構(gòu)件裝配尺寸預(yù)留焊接收縮余量；2).將大型結(jié)構(gòu)件劃分為若干子部套，分別將各子部套先裝配，再焊接；并采用特殊焊接工藝焊接；3).將焊接好的各子部套總裝布置適當(dāng)工藝?yán)?，然后進(jìn)行整體焊接；并采用特殊焊接工藝焊接；4).焊后結(jié)構(gòu)件整體退火去應(yīng)力；5).在熱處理后運(yùn)輸前，在結(jié)構(gòu)件的相關(guān)部位布置拉筋。
所述拉筋是可調(diào)拉筋，所述工藝?yán)钍桥R時(shí)不可調(diào)拉筋。
上述大型結(jié)構(gòu)件的特殊焊接工藝是以富氬氣體保護(hù)焊為主、焊條電弧焊為輔，包括步驟先用焊條電弧焊進(jìn)行打底焊，再用富氬氣體保護(hù)焊將焊縫焊滿(mǎn)。
所述特殊焊接工藝還包括在焊接前將結(jié)構(gòu)件焊接部位用低溫加100-150℃。
所述特殊焊接工藝還包括在焊縫的兩面同時(shí)對(duì)稱(chēng)施焊。
本發(fā)明的積極有益效果由于采用了上述控制焊接變形技術(shù)，有效地克服了結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體剛性差，焊接量大，焊接變形大，裝配精度高等難點(diǎn)；明顯地控制了大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為縮短生產(chǎn)周期、降低勞動(dòng)成本、提高生產(chǎn)效率創(chuàng)造了良好條件。


圖1是厚板多層焊縫中的應(yīng)力分布示意圖。
圖2-1是板比較長(zhǎng)時(shí)焊接后橫向和縱向收縮變形示意圖。
圖2-2是板比較短時(shí)焊接后橫向和縱向收縮變形示意圖。
圖3是結(jié)構(gòu)件焊接后角變形示意圖。
圖4是結(jié)構(gòu)件焊接后撓曲變形示意圖。
圖5是本發(fā)明為結(jié)構(gòu)件整體預(yù)放收縮余量示意圖。
圖6、圖7是本發(fā)明為結(jié)構(gòu)件零件預(yù)放收縮余量示意圖。
圖8、圖9是本發(fā)明為結(jié)構(gòu)件可調(diào)拉筋的布置示意圖。
具體實(shí)施例方式
首先介紹引起焊接變形的主要因素及變形類(lèi)型，參見(jiàn)圖1至圖5。
1.焊接應(yīng)力對(duì)變形的影響焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中變化較大，焊縫的形狀和焊縫的布置必然會(huì)影響應(yīng)力的分布，使應(yīng)力集中在較大的范圍內(nèi)變化，對(duì)焊接變形和裂紋影響較大。以低碳鋼厚板多層焊縫的應(yīng)力分布為例進(jìn)行分析。
由圖1可見(jiàn)焊后在焊縫根部產(chǎn)生較大的橫向拉應(yīng)力，極易產(chǎn)生裂紋，同時(shí)產(chǎn)生較大的向上曲張變形。
2.焊接接頭形式對(duì)變形的影響焊接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)影響應(yīng)力狀態(tài)，從而對(duì)焊接變形產(chǎn)生很大影響。大型結(jié)構(gòu)件的主要接頭形式為角焊縫和對(duì)接焊縫，不同的接頭形式對(duì)焊接殘余變形的影響1).縱向收縮變形裝焊件焊接后在焊縫方向發(fā)生收縮，見(jiàn)圖2-1、圖2-2；2).橫向收縮變形裝焊件焊接后在垂直焊縫方向發(fā)生收縮，見(jiàn)圖2-1、圖2-2；3.角變形焊后構(gòu)件的平面圍繞焊縫產(chǎn)生的角位移，見(jiàn)圖3；4.錯(cuò)邊變形在焊接過(guò)程中，兩焊接件的熱膨脹不一致，可能引起長(zhǎng)度方向上的錯(cuò)邊和厚度方向上的錯(cuò)邊；5.撓曲變形裝焊件在焊接后由于焊縫的縱向和橫向收縮引起撓曲變形，見(jiàn)圖4。
控制上述焊接變形采取如下方法
從大型結(jié)構(gòu)件整體上通過(guò)理論分析、計(jì)算并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)綜合確定結(jié)構(gòu)件收縮余量分布，參見(jiàn)圖5。在此基礎(chǔ)上，對(duì)部分零件備料時(shí)預(yù)放焊接收縮余量，參見(jiàn)圖6、圖7。余量值的確定詳見(jiàn)后面計(jì)算公式。
對(duì)大型結(jié)構(gòu)件采用劃分子部套分別進(jìn)行裝焊，對(duì)于結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，并能獨(dú)立裝焊的部件，先單獨(dú)裝配，再焊接。由于焊縫的自由收縮，其焊接變形可得到充分的控制，而不至于影響結(jié)構(gòu)件整體，并有提高結(jié)構(gòu)件整體剛性的作用。
在上述各子部套裝焊合格的基礎(chǔ)上，將各子部套進(jìn)行總裝焊接，配置適當(dāng)?shù)墓に嚴(yán)?。?shí)施例，見(jiàn)圖5工件1、2、3通過(guò)工藝?yán)?裝配連接被定位，再進(jìn)行整體焊接；這就避免了因子部套焊接和總裝焊接的變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件整體變形的不利后果。
總裝焊后將結(jié)構(gòu)件整體退火，除去應(yīng)力，以防止應(yīng)力變形。
在熱處理后、運(yùn)輸前，在結(jié)構(gòu)件內(nèi)的相關(guān)部位布置可調(diào)拉筋5、6(見(jiàn)圖8、圖9)，調(diào)整好拉筋的長(zhǎng)度，使之符合結(jié)構(gòu)件的幾何尺寸，用于克服后續(xù)工序中例如整體加工、轉(zhuǎn)運(yùn)和運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的變形。
具體的焊接方法如下焊接工藝采用以富氬氣體保護(hù)焊為主、焊條電弧焊為輔，以減少熱輸入，并根據(jù)各焊縫的具體情況選用最佳焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。
先以焊條電弧焊打底，再用富氬氣體保護(hù)焊焊滿(mǎn)焊縫。
對(duì)焊縫有效厚度大于50mm的接頭及結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng)的待焊部位，焊前采取低溫加熱方式預(yù)熱至100-150℃。
焊縫兩面同時(shí)對(duì)稱(chēng)施焊，嚴(yán)格控制焊層間的溫度梯度。
預(yù)放焊接收縮量參見(jiàn)圖5、圖6、圖7，收縮量可按下式確定(1).對(duì)接接頭多層焊的縱向收縮量ΔL=k1·k2·FH·LF(mm)]]>式中FH——單道焊縫截面積mm2；
F——構(gòu)件截面積mm2；ΔL——縱向收縮量mm；L——構(gòu)件長(zhǎng)度mm；K1——系數(shù)，對(duì)于低碳鋼的CO2焊K1＝0.043；K2——多層焊的縱向收縮系數(shù)，K2＝1+85·εs·n；ϵs=σsE,]]>n——層數(shù)。
對(duì)于有角焊縫的丁字接頭的構(gòu)件，由收縮量公式算得的收縮量再乘以系數(shù)1.15～1.40即為該構(gòu)件的縱向收縮量。
(二).對(duì)接接頭多層焊的橫向收縮量ΔB=0.18FHδ(mm)]]>式中ΔB——對(duì)接接頭橫向收縮量mm；FH——焊縫截面積mm2；δ——板厚mm。
根據(jù)上述縱向和橫向收縮量計(jì)算公式，代入實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算出縱向收縮量ΔL(mm)、橫向收縮量ΔB(mm)，考慮結(jié)構(gòu)剛性，一般取拘束度系數(shù)為K3＝0.3-0.6，則結(jié)構(gòu)件的軸向收縮量為ΔLA＝K3(ΔL+2ΔB)(mm)(下料時(shí)，板材若有拼縫，也按上式對(duì)接接頭確定收縮量)根據(jù)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)綜合考慮，結(jié)合產(chǎn)品不同材質(zhì)、板厚和焊接接頭形式來(lái)預(yù)放焊接縮收余量，即在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上再加上經(jīng)驗(yàn)修正值ε，ε一般取2-6mm。以圖5至7為例，縱向、軸向、橫向收縮余量為ΔL+ε、ΔLA+ε、ΔB+ε，參見(jiàn)圖5。從結(jié)構(gòu)件整體上考慮，將ΔL、ΔLA、ΔB的計(jì)算結(jié)果落實(shí)到相關(guān)零件的下料尺寸，使零件下料后就有收縮余量，同時(shí)將ε落實(shí)到裝焊放樣尺寸上，以保證收縮放量的一致性。
權(quán)利要求
1.一種大型結(jié)構(gòu)件焊接變形的控制方法，包括如下步驟1).在下料時(shí)，對(duì)零件尺寸和結(jié)構(gòu)件裝配尺寸預(yù)留焊接收縮余量；2).將大型結(jié)構(gòu)件劃分為若干子部套，分別將各子部套先裝配，再焊接，并采用特殊焊接工藝焊接；3).將焊接好的各子部套總裝布置工藝?yán)?，然后進(jìn)行整體焊接，并采用特殊焊接工藝焊接；4).焊后結(jié)構(gòu)件整體退火去應(yīng)力；5).在熱處理后運(yùn)輸前，在結(jié)構(gòu)件的相關(guān)部位布置拉筋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于所述拉筋是可調(diào)拉筋，所述工藝?yán)钍桥R時(shí)不可調(diào)拉筋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于所述特殊焊接工藝是以富氬氣體保護(hù)焊為主、焊條電弧焊為輔，先用焊條電弧焊進(jìn)行打底焊，再用富氬氣體保護(hù)焊將焊縫焊滿(mǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于所述特殊焊接工藝還包括在焊接前將結(jié)構(gòu)件的焊接部位用低溫加熱預(yù)熱到100-150℃。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于所述特殊焊接工藝還包括在焊縫的兩面同時(shí)對(duì)稱(chēng)施焊。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種大型結(jié)構(gòu)件焊接變形控制方法。該方法有在零件下料和結(jié)構(gòu)件裝配尺寸上預(yù)留收縮余量，并將大型結(jié)構(gòu)件劃分為若干子部套，分別將各子部套先裝配，再焊接；將焊接好的各子部套裝配為整體，再焊接；焊后結(jié)構(gòu)件整體退火去應(yīng)力；在熱處理后運(yùn)輸前，在結(jié)構(gòu)件的相關(guān)部位布置拉筋。焊接工藝采用以富氬氣體保護(hù)焊為主、焊條電弧焊打底焊的焊接方法。它有效地克服了結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體剛性差，焊接量大，焊接變形大，裝配精度高等難點(diǎn)；明顯地控制了大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為縮短生產(chǎn)周期、降低勞動(dòng)成本、提高生產(chǎn)效率創(chuàng)造了良好條件。
文檔編號(hào)B23K9/235GK1554508SQ20031010412
公開(kāi)日2004年12月15日 申請(qǐng)日期2003年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月26日
發(fā)明者殷安康, 梁鋼, 張從平, 舒學(xué)芳, 李睿, 張慧, 曹天蘭, 匡清華, 楊冬, 夏明星 申請(qǐng)人:東方汽輪機(jī)廠(chǎng)