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[摘 要]本文分析矿山机械在加工制造过程中焊接应力与变形问题、焊接变形的危害、焊接变形产生的原因，提出了焊接变形的预防与控制措施。
[关键词]机械加工制造；焊接变形；原因；控制措施
中图分类号：TD40 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）35-0023-01
引言
矿山机械在加工制造过程中，焊接则是一个重要环节，然而在焊接过程中也难免出现焊接应力与变形的问题，它会直接影响到焊接工件的尺寸精度、材质强度、整体稳定性以及其他工艺性能等。所以，如何有效预防和控制焊接变形，使加工制造机械最大限度地降低应力产生与变形，提高机械设备的制造质量，提升其安全可靠性，则是一个值得研究的课题。
1 焊接應力与变形问题
①焊接的内涵。焊接，实际上就是通过加热、加压，或两者并用，其之间产生原子间结合的加工工艺和联接方式。它应用广泛，既可用于金属，也可用于非金属。②内应力的产生。没有外力的情况下，物体内部也存在的应力，称为内应力。它在物体内部自相平衡，即物体内部各方向的内应力总和等于零。而焊接应力就是在焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。主要有热应力、残余应力、装配应力、相变应力等。③焊接变形问题。焊接变形是在焊接过程中由于焊件不均匀受热和不均匀温度场而引起的焊件尺寸的改变。焊接过程中的不均匀加热，能使得焊缝及附近的温度很高，不受热的冷金属部分便阻碍了焊缝及近缝区金属的膨胀与收缩，这就容易产生变形。特别是冷却后，焊缝就产生了不同程度的收缩与内应力，从而造成了焊接结构的各种变形。变形大致可以分为瞬态焊接应力与变形、残余焊接应力与变形。没有外力的作用下，焊接应力在焊件内部是平衡的。焊接变形的形式有收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形和错边变形等多种。
2 焊接变形的危害
机械产品的制造和使用过程中，焊接变形的危害主要体现在以下几个方面：①装配质量下降。机械设备的各部件因焊接变形导致钢结构内部产生附加应力，在组装时易产生扭曲、错位等情况，以致造成装配整体变形，使整个构件丧失了稳定性，从而导致设备装配质量严重下降，甚至使产品报废。②承载能力下降。因焊后产生的残余应力和焊接变形降低了接头性能，使得焊件或部件的尺寸改变了，从而引起局部较大的附加应力，虽然可矫正，但会消耗掉一部分材料的塑性，以致承受载荷能力下降，严重的甚至会导致脆断，造成一些事故。③抗腐蚀性下降。焊接产生了大量的热，使得焊缝接口与周围环境气体中的C、0、H、N等气体产生化学反应，从而改变了接缝的材质。矫形后在强大的外力作用下会导致焊缝的塑性和韧性明显变差，脆性增加极易产生裂纹，使得焊接接头的抗腐蚀性也下降了。④制造成本增加。焊接变形也使得机械部件组装变得困难，需要经过矫形后方可装配，而校正又要消耗大量的人力和物力，这给生产增加了许多额外工序，延长了工期，影响生产效率，并增加了制造成本，形成不必要的浪费。
3 焊接变形产生的原因
焊接件產生焊接应力与变形的原因较多，比如不均匀受热、焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件材质的不同等，都会有影响。归纳起来主要有三个方面：①设计因素。机械产品在设计时，由于要满足承重、支撑等能力要求，所以就需要采用筋板或肋板提高产品的刚性和稳定性。由于焊接变形的不可控性，这也为设计理念增加了难以避免的焊接变形几率。②材料影响。焊接离不开焊丝和焊接母材，该材料的化学成分不同，焊接性也不同。由于决定强度和可焊性的因素主要是含碳量。因此碳当量越大，焊接性能就越差。③焊接工艺影响。焊接常用手工焊、CO2气体保护焊、埋弧焊、氩弧焊等形式，各种焊接方法差异，也使得变形各有差异。与此同时，选用的焊接接头形式不同，以及多层多道焊接的影响，这也会使接头塑性变形区增大，影响焊接质量。
4 焊接变形的预防与控制
机械产品的加工制造过程中，焊接应力和变形则会影响焊件的功能和外观，这给产品的制造工艺增加了困难，还会因焊接变形过大导致产品报废，从而造成了很大的经济损失，所以必须严格控制。主要预防和控制措施：①从源头上预防——设计措施。焊接必然有变形和应力产生，所以要将变形的危害量降至最低，在设计焊接结构时，一要合理选择焊接工件。有效减少和控制不需要出现的焊缝，比如尽量选用型钢、冲压件、锻件来替代焊接件。再是注重优化设计相关筋板、肋板的形状、位置和数量，以减少产生的焊缝量和变形后的校正工作量。二要科学设计焊接尺寸。因焊缝越宽越深，在受热后冷却时收缩引起的变形量就越大。所以要在保证产品性能符合设计要求的基础上，尽量减少焊缝的数量和尺寸。设计时应尽量选用较小的焊脚、坡口尺寸，尽可能的减少焊缝的横截面积和熔敷金属量，以减少焊接变形量。三要合理设计焊缝位置。因焊缝横向收缩量大于纵向收缩量的特性，在设计的时要充分考虑到这一点，尽量将焊缝布置在平行于要求焊接变形量最小的方向，使之与焊件的截面中心线或轴线对称，避免设计曲线形结构，这对于减少梁、柱等主要支撑结构的变形能起较好的效果。②把握焊接全过程——焊接工艺措施。从焊接工艺措施入手，在焊接构件生产制造过程中所采用的一系列措施，要正确地选择与严格遵守焊接程序，这也是减小焊接变形和内应力的有效方法，更是保证焊接质量的重要举措。所以在施焊过程中要认真把握各项预防措施。第一，可通过采取反变形法。在焊接时人为造成与焊接变形量大小相当、方向相反的预变形量，通过焊后变形收缩抵消预变形量，使焊接件达到设计要求的几何形状与尺寸。这特别适用于机械设备的外壳焊接，能保证外壳不会塌陷；第二，可采取预拉伸法。通过机械等形式预先将焊件拉伸与伸长，并在张紧的钢板上焊接，之后去除预拉伸，使钢板恢复原始状态。第三，可采取刚性固定法。通过夹具或刚性胎具将被焊工件固定，能有效降低焊接残余应力，防止变形。但刚性固定法会使焊接接头中产生较大的焊接应力，因此对于一些抗裂性较差的材料应慎用。第四，不同的构件形式采用不同的焊接方法。对焊缝位置、结构截面对称的焊接结构，应先装配成整体，再按一定的焊接顺序进行生产，最后再组焊一起，这能有效地减少变形。还可以采用合理的焊接方法、工艺参数、焊接次序，通过先焊短焊缝后焊长焊缝、尽可能采用多层焊代替单层焊、间断焊接法、强制冷却法等措施，降低焊接残余应力、减小焊接变形量。③收尾变形控制——焊后矫正。一旦焊接变形产生，只能通过矫正减小或消除发生的变形。在焊后矫正措施上，主要有：第一，机械矫正法。就是采用手工锤击、压力机、多辊平板机等方式，对焊件进行静力加压或辗压，使原来缩短的部分得到延伸，以达到矫正变形的效果。但是，手工锤击矫形劳动强度大，技术难度高，则是矫正薄板波浪变形的重要方法。而压力机、多辊平板机等设备，其机械矫正效率高、速度快、效果又好，特别适用于中、大型焊件焊后的矫形。第二，加热矫正。可利用氧乙炔火焰对焊件进行局部或整体加热时产生的塑性变形，使较长的金属在冷却后收缩，以达到矫正变形的效果。但是，火焰加热矫正法的加热方式有点状、线状和三角形三种，其主要适用于低碳钢和没有淬硬倾向的普通低合金钢。它又可分为整体加热矫正法和局部加热矫正。而整体加热主要用于消除较大的形状偏差。但是，这样的做法容易产生副作用，即容易产生冶金方面的一些问题，而局部加热矫正方法就比较简便灵活，所以在生产上的应用也比较多。
结束语
机械加工制造过程中易产生焊接应力，引起变形，不但影响产品质量，还会引起相关事故，因此要针对焊接工件的材料性质、形状及技术要求等，合理选择适宜的焊接工艺，减少变形量，提高产品质量，降低加工成本。
参考文献
[1] 黄国锋.煤矿机械制造过程中的焊接变形因素及其控制工艺[J].中国高新技术企业，2014，12：47-48.
[2] 张媛媛.煤矿机械加工工艺技术的误差及原因分析[J].能源与节能，2015，6：120-121.
[关键词]机械加工制造；焊接变形；原因；控制措施
中图分类号：TD40 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）35-0023-01
引言
矿山机械在加工制造过程中，焊接则是一个重要环节，然而在焊接过程中也难免出现焊接应力与变形的问题，它会直接影响到焊接工件的尺寸精度、材质强度、整体稳定性以及其他工艺性能等。所以，如何有效预防和控制焊接变形，使加工制造机械最大限度地降低应力产生与变形，提高机械设备的制造质量，提升其安全可靠性，则是一个值得研究的课题。
1 焊接應力与变形问题
①焊接的内涵。焊接，实际上就是通过加热、加压，或两者并用，其之间产生原子间结合的加工工艺和联接方式。它应用广泛，既可用于金属，也可用于非金属。②内应力的产生。没有外力的情况下，物体内部也存在的应力，称为内应力。它在物体内部自相平衡，即物体内部各方向的内应力总和等于零。而焊接应力就是在焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。主要有热应力、残余应力、装配应力、相变应力等。③焊接变形问题。焊接变形是在焊接过程中由于焊件不均匀受热和不均匀温度场而引起的焊件尺寸的改变。焊接过程中的不均匀加热，能使得焊缝及附近的温度很高，不受热的冷金属部分便阻碍了焊缝及近缝区金属的膨胀与收缩，这就容易产生变形。特别是冷却后，焊缝就产生了不同程度的收缩与内应力，从而造成了焊接结构的各种变形。变形大致可以分为瞬态焊接应力与变形、残余焊接应力与变形。没有外力的作用下，焊接应力在焊件内部是平衡的。焊接变形的形式有收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪变形和错边变形等多种。
2 焊接变形的危害
机械产品的制造和使用过程中，焊接变形的危害主要体现在以下几个方面：①装配质量下降。机械设备的各部件因焊接变形导致钢结构内部产生附加应力，在组装时易产生扭曲、错位等情况，以致造成装配整体变形，使整个构件丧失了稳定性，从而导致设备装配质量严重下降，甚至使产品报废。②承载能力下降。因焊后产生的残余应力和焊接变形降低了接头性能，使得焊件或部件的尺寸改变了，从而引起局部较大的附加应力，虽然可矫正，但会消耗掉一部分材料的塑性，以致承受载荷能力下降，严重的甚至会导致脆断，造成一些事故。③抗腐蚀性下降。焊接产生了大量的热，使得焊缝接口与周围环境气体中的C、0、H、N等气体产生化学反应，从而改变了接缝的材质。矫形后在强大的外力作用下会导致焊缝的塑性和韧性明显变差，脆性增加极易产生裂纹，使得焊接接头的抗腐蚀性也下降了。④制造成本增加。焊接变形也使得机械部件组装变得困难，需要经过矫形后方可装配，而校正又要消耗大量的人力和物力，这给生产增加了许多额外工序，延长了工期，影响生产效率，并增加了制造成本，形成不必要的浪费。
3 焊接变形产生的原因
焊接件產生焊接应力与变形的原因较多，比如不均匀受热、焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件材质的不同等，都会有影响。归纳起来主要有三个方面：①设计因素。机械产品在设计时，由于要满足承重、支撑等能力要求，所以就需要采用筋板或肋板提高产品的刚性和稳定性。由于焊接变形的不可控性，这也为设计理念增加了难以避免的焊接变形几率。②材料影响。焊接离不开焊丝和焊接母材，该材料的化学成分不同，焊接性也不同。由于决定强度和可焊性的因素主要是含碳量。因此碳当量越大，焊接性能就越差。③焊接工艺影响。焊接常用手工焊、CO2气体保护焊、埋弧焊、氩弧焊等形式，各种焊接方法差异，也使得变形各有差异。与此同时，选用的焊接接头形式不同，以及多层多道焊接的影响，这也会使接头塑性变形区增大，影响焊接质量。
4 焊接变形的预防与控制
机械产品的加工制造过程中，焊接应力和变形则会影响焊件的功能和外观，这给产品的制造工艺增加了困难，还会因焊接变形过大导致产品报废，从而造成了很大的经济损失，所以必须严格控制。主要预防和控制措施：①从源头上预防——设计措施。焊接必然有变形和应力产生，所以要将变形的危害量降至最低，在设计焊接结构时，一要合理选择焊接工件。有效减少和控制不需要出现的焊缝，比如尽量选用型钢、冲压件、锻件来替代焊接件。再是注重优化设计相关筋板、肋板的形状、位置和数量，以减少产生的焊缝量和变形后的校正工作量。二要科学设计焊接尺寸。因焊缝越宽越深，在受热后冷却时收缩引起的变形量就越大。所以要在保证产品性能符合设计要求的基础上，尽量减少焊缝的数量和尺寸。设计时应尽量选用较小的焊脚、坡口尺寸，尽可能的减少焊缝的横截面积和熔敷金属量，以减少焊接变形量。三要合理设计焊缝位置。因焊缝横向收缩量大于纵向收缩量的特性，在设计的时要充分考虑到这一点，尽量将焊缝布置在平行于要求焊接变形量最小的方向，使之与焊件的截面中心线或轴线对称，避免设计曲线形结构，这对于减少梁、柱等主要支撑结构的变形能起较好的效果。②把握焊接全过程——焊接工艺措施。从焊接工艺措施入手，在焊接构件生产制造过程中所采用的一系列措施，要正确地选择与严格遵守焊接程序，这也是减小焊接变形和内应力的有效方法，更是保证焊接质量的重要举措。所以在施焊过程中要认真把握各项预防措施。第一，可通过采取反变形法。在焊接时人为造成与焊接变形量大小相当、方向相反的预变形量，通过焊后变形收缩抵消预变形量，使焊接件达到设计要求的几何形状与尺寸。这特别适用于机械设备的外壳焊接，能保证外壳不会塌陷；第二，可采取预拉伸法。通过机械等形式预先将焊件拉伸与伸长，并在张紧的钢板上焊接，之后去除预拉伸，使钢板恢复原始状态。第三，可采取刚性固定法。通过夹具或刚性胎具将被焊工件固定，能有效降低焊接残余应力，防止变形。但刚性固定法会使焊接接头中产生较大的焊接应力，因此对于一些抗裂性较差的材料应慎用。第四，不同的构件形式采用不同的焊接方法。对焊缝位置、结构截面对称的焊接结构，应先装配成整体，再按一定的焊接顺序进行生产，最后再组焊一起，这能有效地减少变形。还可以采用合理的焊接方法、工艺参数、焊接次序，通过先焊短焊缝后焊长焊缝、尽可能采用多层焊代替单层焊、间断焊接法、强制冷却法等措施，降低焊接残余应力、减小焊接变形量。③收尾变形控制——焊后矫正。一旦焊接变形产生，只能通过矫正减小或消除发生的变形。在焊后矫正措施上，主要有：第一，机械矫正法。就是采用手工锤击、压力机、多辊平板机等方式，对焊件进行静力加压或辗压，使原来缩短的部分得到延伸，以达到矫正变形的效果。但是，手工锤击矫形劳动强度大，技术难度高，则是矫正薄板波浪变形的重要方法。而压力机、多辊平板机等设备，其机械矫正效率高、速度快、效果又好，特别适用于中、大型焊件焊后的矫形。第二，加热矫正。可利用氧乙炔火焰对焊件进行局部或整体加热时产生的塑性变形，使较长的金属在冷却后收缩，以达到矫正变形的效果。但是，火焰加热矫正法的加热方式有点状、线状和三角形三种，其主要适用于低碳钢和没有淬硬倾向的普通低合金钢。它又可分为整体加热矫正法和局部加热矫正。而整体加热主要用于消除较大的形状偏差。但是，这样的做法容易产生副作用，即容易产生冶金方面的一些问题，而局部加热矫正方法就比较简便灵活，所以在生产上的应用也比较多。
结束语
机械加工制造过程中易产生焊接应力，引起变形，不但影响产品质量，还会引起相关事故，因此要针对焊接工件的材料性质、形状及技术要求等，合理选择适宜的焊接工艺，减少变形量，提高产品质量，降低加工成本。
参考文献
[1] 黄国锋.煤矿机械制造过程中的焊接变形因素及其控制工艺[J].中国高新技术企业，2014，12：47-48.
[2] 张媛媛.煤矿机械加工工艺技术的误差及原因分析[J].能源与节能，2015，6：120-121.