起重机械结构焊接变形及控制分析

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摘要：起重机械结构在焊接过程中因为温度变化和应力分布不均会引发焊接变形，其严重影响了机械结构的完整性和使用可靠性，因此，针对起重机械结构焊接变形的因素及控制的研究必不可少。本文首先论述了机械结构金属焊接变形的基本理论，从本质讨论材料变形的原因及影响金属焊接变形的因素。进而依凭起重机械结构分析了焊接变形的种类及其产生的原因，并且提出了对起重机械结构焊接变形的控制方法，对大型焊接工艺提供理论指导。

关键词：起重机械；焊接变形；结构设计

起重机械结构由多种零部件焊接而成，在实际焊接过程中，焊接变形引起的误差会使结构尺寸精度下降，进而导致起重机械整体结构的承载能力下降，同时，还会降低产品的外观。对于起重机械结构的焊接变形，需要投入大量的人力和物力去修补和完善，其工作量有时候会比起初焊接所花费的要多，甚至在变形较大的时候，其结构无法进行修缮，被迫废弃。因此，考虑起重机械结构焊接变形的起因及其影响因素，进行有效而合理的控制，可以减少损耗，对起重机械的改进和发展都具有指导意义。

1机械结构金属焊接变形理论

1.1金属焊接变形的基本原理

金属材料处在高温的环境中，当温度达到材料的熔点，材料会熔化并发生热膨胀，材料发生挤压变形，产生弹性热应力，当热应力大于材料此时的屈服极限，材料的弹性变形会转化成塑性变形，导致冷却后的材料无法恢复产生残余应力，材料在焊接区域受压应力，在周围区域受拉应力。因此，材料的“热胀冷缩”是使材料发生变形的基本原因。起重机械结构的焊接过程一般利用熔化焊，将需要焊接的区域进行加热，并加入焊接材料，带熔池形成后进行冷却硬化，因此，在焊接加热冷却过程中，焊接区域发生冷缩，非焊接区域发生热膨胀，产生残余应变导致材料的塑性变形。尤其对于焊接零部件，微观的塑性变形，在宏观的表现为尺寸变形并带有弹性应变能。对于单一构件，材料发生塑性应变的区域很少，因此，针对影响材料的焊接变形，考虑残余应变和弹性应变能，进而研究材料变形。首先，可以构建弹性应变能与弹性变形的关系式中，E为弹性应变能；hi为弹性变形；ki为广义弹性系数。又因为弹性应变能与弹性应变能密度有如下关系式中，g0为弹性应变能密度。将（1）式带入式（2）中，可得通过式（3）可知材料变形及应变能的大小。

1.2金属焊接变形的影响因素

（1）材料属性对金属焊接变形的影响。焊接区域的变形同时受到焊材和母材的影响，其力热属性决定了材料的膨胀和收缩程度，热传导系数小，温度变化的梯度大，温差大导致材料更容易变形。热膨胀系数对材料的变形正相关，而且材料的力学属性会随着温度的变化而改变，通常情况下，较大的弹性模量会储存较大的变形能，所累积的残余应力更容易引起焊接变形。（2）焊接结构对金属焊接变形的影响。在焊接过程中，控制工件的拘束度可有效改善焊接变形。工件本身的拘束度起主要影响，在设计时，焊接结构越复杂，拘束度越大。因此，需要对为了增加结构刚性而添加的筋板或加强筋的数量和位置进行优化处理，可适当减小焊接过程中的工作量，同时，也能对焊接变形有削弱的作用。（3）焊接工艺对金属焊接变形的影响。焊接工艺可改变残余应力的位置和大小以减缓焊接变形，例如，改变焊接顺序、采用新的焊接工艺方法、调整合适的焊接工艺参数，同时，根据工作人员的累积经验，也可以采用特殊的加工工艺来改善残余应力，降低焊接变形。

2机械结构焊接变形种类及产生原因

在起重机械结构焊接过程中，其结构件的焊接变形种类有收缩变形、弯曲变形和扭曲变形。收缩变形是因为焊缝冷却材料体积减小，导致尺度精度下降，而且焊缝收缩的方向相同会使得整体结构的尺寸减小，影响机械结构的稳定性。弯曲变形通常出现在工件尺寸较小、焊缝不对称的区域，这是因为材料受到焊接过程中应力和变形的综合影响。起重机械焊接结构属于大型结构件焊接，因此，更容易发生扭曲变形，在不均匀内应力的影响下，焊缝的分布没有规律，很难进行提前预测，导致的结果就是焊接区域发生扭曲变形，严重时，焊接件会无法修复。因此，起重机械结构的焊接变形不仅影响工程机械的工作效能，而且还会给工厂企业造成经济损失。由此，分析焊接变形的具体原因显得尤为重要，其焊接变形有多种因素组成，第一为焊接应力的大小和分布，其直接影响焊接结构件的受力和变形，在焊接过程中，焊接应力和焊缝的复杂程度成正相关，由于其具有一定的不确定性，材料的膨胀和收缩同样不均匀，导致变形难以预估。第二为焊接结构件的设计不合理，设计的焊缝尺寸大、数量多且分布不均匀均会加剧焊接结构件的变形。第三为焊接工艺的制定存在问题，起重机械结构焊接工艺的好坏直接决定加工效率，其焊接变形是否超出规定标准，直接影响机械结构的稳定和运作安全。因此，需要着重注意焊接工艺的选择和设计，确保有效高效、安全稳定。

3起重机械结构焊接变形的控制

起重机械焊接件结构往往比理论设想复杂，根据实际工作需求，焊接件的组成及数量不同，在焊接过程中产生的焊缝及焊接变形也不同，因而焊接变形的控制应视具体工况分析而制定，通常使用工艺参数法、工装模具法和反变形法来控制起重机械结构件的焊接变形。（1）工艺参数法。焊接工艺参数法主要关注工艺布置和参数选择，在焊接过程中，采用多层焊或气体保护焊的焊接方式，利用跳焊和分段焊降低热能对焊接变形的影响。焊接顺序应该遵循先内后外、从中间到两端、先短后长的对称焊接方法，这是为了保证焊接结构能够受热均匀。对于焊接应力的去除，可以利用焊前预热和焊后回火，尽可能地选择适用于实际工况的参数，降低热输入，减小焊接变形。（2）工装模具法。工装模具法可采用搭焊平台、接变位机和焊件夹具的方式控制焊接件的变形。搭焊平台构建在起重机械结构焊接前需要搭焊，利用点焊固定结构框架，保证了焊接过程中焊接件抵抗变形的能力，这种方式主要确保了机械设备的尺寸精度和位置精度，图1为某型挖掘机铲斗在焊接准备时采用的搭焊平台结构。因为起重机械重量大，受到的焊接应力大，在焊机过程中，焊接件的位置需要进行固定定位，可采用合适的夹具加强焊接件刚性，提高焊接质量精度。图1搭焊平台结构图还可以接变位机，由于起重机械设备的结构相对于其他机械结构较大，因此，在焊接时可以采用焊接变位机控制焊接件的位置，保证焊缝在焊接全过程都处在最佳水平焊接状态，解决了大型结构件焊接不容易移动和旋转的问题，使得焊接质量得到保障。（3）反变形法。焊接结构件在焊接过程中会产生焊接变形，其主要原因是材料膨胀和焊缝冷缩，而反变形法解决了焊接前后变形量存在差值的问题。这种方式是通过预制反方向变形抵消焊接时产生的变形，具体措施为在焊接装配时，人工对焊接工件实施人为变形，根据实际的需求工况，定制提前预制反变形的大小和方向。而且在焊接时，需要注意焊接顺序，先焊接收缩量大的焊缝，通常情况下，对接焊缝的焊接顺序排在角焊缝之前。

4结语

起重机械结构的焊接变形因为其本身的尺寸和重量因素，焊缝分布不均匀，焊接变形过程复杂，难以有效控制焊接变形，为提高起重机械设备的生产经济性，在保证废品率的前提下，尽量控制焊接变形对产品质量的影响。综上所述，只有控制住焊接过程中因应力引发的变形，才能确保起重机械设备的产品质量，提高加工效率和工程进度，保障人身安全。

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作者：姚行杰 单位：山东丰汇设备技术有限公司