起重機械結構焊接變形及控制分析

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摘要：起重機械結構在焊接過程中因為溫度變化和應力分布不均會引發焊接變形，其嚴重影響了機械結構的完整性和使用可靠性，因此，針對起重機械結構焊接變形的因素及控制的研究必不可少。本文首先論述了機械結構金屬焊接變形的基本理論，從本質討論材料變形的原因及影響金屬焊接變形的因素。進而依憑起重機械結構分析了焊接變形的種類及其產生的原因，并且提出了對起重機械結構焊接變形的控制方法，對大型焊接工藝提供理論指導。

關鍵詞：起重機械；焊接變形；結構設計

起重機械結構由多種零部件焊接而成，在實際焊接過程中，焊接變形引起的誤差會使結構尺寸精度下降，進而導致起重機械整體結構的承載能力下降，同時，還會降低產品的外觀。對于起重機械結構的焊接變形，需要投入大量的人力和物力去修補和完善，其工作量有時候會比起初焊接所花費的要多，甚至在變形較大的時候，其結構無法進行修繕，被迫廢棄。因此，考慮起重機械結構焊接變形的起因及其影響因素，進行有效而合理的控制，可以減少損耗，對起重機械的改進和發展都具有指導意義。

1機械結構金屬焊接變形理論

1.1金屬焊接變形的基本原理

金屬材料處在高溫的環境中，當溫度達到材料的熔點，材料會熔化并發生熱膨脹，材料發生擠壓變形，產生彈性熱應力，當熱應力大于材料此時的屈服極限，材料的彈性變形會轉化成塑性變形，導致冷卻后的材料無法恢復產生殘余應力，材料在焊接區域受壓應力，在周圍區域受拉應力。因此，材料的“熱脹冷縮”是使材料發生變形的基本原因。起重機械結構的焊接過程一般利用熔化焊，將需要焊接的區域進行加熱，并加入焊接材料，帶熔池形成后進行冷卻硬化，因此，在焊接加熱冷卻過程中，焊接區域發生冷縮，非焊接區域發生熱膨脹，產生殘余應變導致材料的塑性變形。尤其對于焊接零部件，微觀的塑性變形，在宏觀的表現為尺寸變形并帶有彈性應變能。對于單一構件，材料發生塑性應變的區域很少，因此，針對影響材料的焊接變形，考慮殘余應變和彈性應變能，進而研究材料變形。首先，可以構建彈性應變能與彈性變形的關系式中，E為彈性應變能；hi為彈性變形；ki為廣義彈性系數。又因為彈性應變能與彈性應變能密度有如下關系式中，g0為彈性應變能密度。將（1）式帶入式（2）中，可得通過式（3）可知材料變形及應變能的大小。

1.2金屬焊接變形的影響因素

（1）材料屬性對金屬焊接變形的影響。焊接區域的變形同時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，熱傳導系數小，溫度變化的梯度大，溫差大導致材料更容易變形。熱膨脹系數對材料的變形正相關，而且材料的力學屬性會隨著溫度的變化而改變，通常情況下，較大的彈性模量會儲存較大的變形能，所累積的殘余應力更容易引起焊接變形。（2）焊接結構對金屬焊接變形的影響。在焊接過程中，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，在設計時，焊接結構越復雜，拘束度越大。因此，需要對為了增加結構剛性而添加的筋板或加強筋的數量和位置進行優化處理，可適當減小焊接過程中的工作量，同時，也能對焊接變形有削弱的作用。（3）焊接工藝對金屬焊接變形的影響。焊接工藝可改變殘余應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、調整合適的焊接工藝參數，同時，根據工作人員的累積經驗，也可以采用特殊的加工工藝來改善殘余應力，降低焊接變形。

2機械結構焊接變形種類及產生原因

在起重機械結構焊接過程中，其結構件的焊接變形種類有收縮變形、彎曲變形和扭曲變形。收縮變形是因為焊縫冷卻材料體積減小，導致尺度精度下降，而且焊縫收縮的方向相同會使得整體結構的尺寸減小，影響機械結構的穩定性。彎曲變形通常出現在工件尺寸較小、焊縫不對稱的區域，這是因為材料受到焊接過程中應力和變形的綜合影響。起重機械焊接結構屬于大型結構件焊接，因此，更容易發生扭曲變形，在不均勻內應力的影響下，焊縫的分布沒有規律，很難進行提前預測，導致的結果就是焊接區域發生扭曲變形，嚴重時，焊接件會無法修復。因此，起重機械結構的焊接變形不僅影響工程機械的工作效能，而且還會給工廠企業造成經濟損失。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，第一為焊接應力的大小和分布，其直接影響焊接結構件的受力和變形，在焊接過程中，焊接應力和焊縫的復雜程度成正相關，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，導致變形難以預估。第二為焊接結構件的設計不合理，設計的焊縫尺寸大、數量多且分布不均勻均會加劇焊接結構件的變形。第三為焊接工藝的制定存在問題，起重機械結構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定標準，直接影響機械結構的穩定和運作安全。因此，需要著重注意焊接工藝的選擇和設計，確保有效高效、安全穩定。

3起重機械結構焊接變形的控制

起重機械焊接件結構往往比理論設想復雜，根據實際工作需求，焊接件的組成及數量不同，在焊接過程中產生的焊縫及焊接變形也不同，因而焊接變形的控制應視具體工況分析而制定，通常使用工藝參數法、工裝模具法和反變形法來控制起重機械結構件的焊接變形。（1）工藝參數法。焊接工藝參數法主要關注工藝布置和參數選擇，在焊接過程中，采用多層焊或氣體保護焊的焊接方式，利用跳焊和分段焊降低熱能對焊接變形的影響。焊接順序應該遵循先內后外、從中間到兩端、先短后長的對稱焊接方法，這是為了保證焊接結構能夠受熱均勻。對于焊接應力的去除，可以利用焊前預熱和焊后回火，盡可能地選擇適用于實際工況的參數，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、接變位機和焊件夾具的方式控制焊接件的變形。搭焊平臺構建在起重機械結構焊接前需要搭焊，利用點焊固定結構框架，保證了焊接過程中焊接件抵抗變形的能力，這種方式主要確保了機械設備的尺寸精度和位置精度，圖1為某型挖掘機鏟斗在焊接準備時采用的搭焊平臺結構。因為起重機械重量大，受到的焊接應力大，在焊機過程中，焊接件的位置需要進行固定定位，可采用合適的夾具加強焊接件剛性，提高焊接質量精度。圖1搭焊平臺結構圖還可以接變位機，由于起重機械設備的結構相對于其他機械結構較大，因此，在焊接時可以采用焊接變位機控制焊接件的位置，保證焊縫在焊接全過程都處在最佳水平焊接狀態，解決了大型結構件焊接不容易移動和旋轉的問題，使得焊接質量得到保障。（3）反變形法。焊接結構件在焊接過程中會產生焊接變形，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題。這種方式是通過預制反方向變形抵消焊接時產生的變形，具體措施為在焊接裝配時，人工對焊接工件實施人為變形，根據實際的需求工況，定制提前預制反變形的大小和方向。而且在焊接時，需要注意焊接順序，先焊接收縮量大的焊縫，通常情況下，對接焊縫的焊接順序排在角焊縫之前。

4結語

起重機械結構的焊接變形因為其本身的尺寸和重量因素，焊縫分布不均勻，焊接變形過程復雜，難以有效控制焊接變形，為提高起重機械設備的生產經濟性，在保證廢品率的前提下，盡量控制焊接變形對產品質量的影響。綜上所述，只有控制住焊接過程中因應力引發的變形，才能確保起重機械設備的產品質量，提高加工效率和工程進度，保障人身安全。

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作者：姚行杰 單位：山東豐匯設備技術有限公司