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铝合金上层建筑装焊变形控制研究

 GXF360 2019-11-07

铝合金上层建筑焊接变形,主要是由于分段结构在焊接后产生的局部和整体变形所导致。如不及时采取有效措施,会造成尺寸偏差、结构失稳、强度降低等后果,给下一阶段的焊接和装配工作带来很大困难,不仅导致工期延长,甚至无法达到规范、标准规定的质量要求。因此,研究铝合金焊接变形产生的原因,采取正确的预防和控制措施,合理的对变形进行矫正,对缩短船舶建造周期,提高船舶建造质量具有重要意义。

产生焊接变形最基本和最本质的因素是焊接过程中的热变形和焊接构件的刚性条件,在焊接过程中的热变形受到了构件刚性条件的约束,出现了压缩塑性变形。凡是与焊接热变形和构件刚性有关的各种因素,都会对焊接残余变形产生影响。与热变形有关的因素有焊接工艺方法、焊接参数、焊缝数量和断面大小、施焊方法、材料的热物理性能等,与构件刚性有关的因素有尺寸和形状、胎夹具的应用、装配焊接程序等。由于实际生产过程中焊接是一个非常复杂的过程,影响焊接变形的不可知因素很多,加上铝合金这种特殊的板材,试图完全消除焊接变形是不可能的,但我们可以通过采用特殊的建造方法和合理的焊接施工,通过装配与焊接相互配合,以达到预防和控制焊接变形的目的。

1. 铝合金焊接变形的基本形式

(1)整体变形 整体变形是由于焊缝在各个方向收缩而引起的,包括收缩变形、弯曲变形和扭曲变形。收缩变形是由于焊缝的纵向和横向收缩造成整个结构的长度缩短和宽度变窄;弯曲和扭曲变形是由于焊缝在结构中布置不对称时产生的,也可能由于装配质量不好,焊件搁置不当、焊接程序和焊接方向不合理而造成的。通常弯曲变形、扭曲变形与纵向和横向收缩相伴而同时发生变化。

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(2)局部变形 局部变形是指结构的某部分发生变形,包括角变形和波浪变形两种。角变形主要由于温度沿板厚方向分布不均匀和熔化金属沿板厚方向收缩量不一致而引起的,因此一般多发生于厚板的对接接头。波浪变形产生于薄板结构中,它是由于纵向和横向的压应力使薄板失去稳定而造成的。错边变形主要是由于组成焊件的两个零件在装夹时,夹紧程度不一致或刚度各不相同或物理性质不同,以及装配不良或电弧偏离坡口中心等原因引起的。焊后变形将影响到结构的外形和它的承载能力,其中整体变形对结构的影响较大,而局部变形对结构的影响较小。

2. 焊接变形的机理及影响因素

在焊接过程中的热应变、塑性应变是产生焊接变形的原因。通常在低碳钢焊接时,相变发生在弹性丧失温度以上,对焊接变形和最终的残余应力影响较小,往往予以忽略。但在低合金高强钢焊接时,固态相变常发生在弹性丧失温度以下,必须考虑相变时体积膨胀引起的应变。因此,焊接变形是热应变、塑性应变以及相变应变综合影响的结果。

影响焊接变形的主要因素包括以下几个方面:

(1)焊缝分布的影响 一般来说,焊缝在设计时应考虑使其尽量均布,焊缝位置分布不均匀,则焊缝密集区变形大于焊缝稀疏区,这样要求设计时尽量使焊缝分布均匀,且使焊缝对称于构件截面的中心轴或使焊缝接近中心轴,即可减小弯曲变形。

(2)焊缝过于集中的影响 将使应力叠加在一起,增加了焊接变形。

(3)结构刚度的影响 刚度就是结构抵抗拉伸和弯曲变形的能力,它主要取决于结构的截面形状及尺寸大小。如工字型截面T桁架的纵向变形,主要取决于横截面面积和弦杆截面的尺寸;载入工字型、丁字形或其他形状截面弯曲变形,主要取决于截面的抗弯刚度。一般情况下,结构刚度大的构件,焊后变形小;反之则焊后变形大,结构刚性取决于结构截面的形状和尺寸,截面越大,结构刚性越大,变形就越小,反之变形就越大。

(4)焊接装配的影响 将结构点装后进行焊接,由于点装后结构拘束度增加,焊后变形较小;如结构复杂,可把他分成几个简单的部件,分别装焊,分别矫正后再进行总装,能大大减少总装中的焊接量,可有效控制焊后变形。

(5)焊接顺序的影响 在结构钢性不大时,焊缝在结构中对称布置,则产生线性缩短;当焊缝布置不对称时,则会产生弯曲变形;焊缝截面重心与接头截面重心在同一位置上时,只要施焊程序合理,则只产生线缩短,当焊缝截面重心偏离接头截面时,则还会产生角变形。不同的焊接顺序焊后将产生不同的变形量,所以焊接时应尽量采取下列焊接方法:对称焊接;焊缝不对称时,先是焊装焊缝少的一侧。

(6)坡口形式的影响 焊缝越长焊接变形就越大;坡口内的焊接金属填充量越大,变形就越大,如同样厚度板材,开X形坡口与开V形坡口比较,前者变形量明显小于后者。

(7)焊接工艺的影响 焊接过程中,同样的焊件,焊接参数的不同产生的焊接变形也不同,如:单层焊、大电流、焊条移动速度慢、摆动幅度大、停留时间长,所产生的焊接变形就大,而多层多道焊、小电流、快速、焊条不摆动,则焊后变形小。

3. 铝合金分段焊接变形控制的措施

焊接变形是不可避免的,有焊接就必定会发生焊接变形,但我们可以通过合理的施工工艺减小焊接变形。

(1)铝合金受热极易变形,在焊接过程中,应该在保证焊接质量的前提下尽量采用小焊接参数。

(2)构件中同时存在对接缝和角焊缝时,先焊对接焊缝,后焊脚接焊缝。

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(3)具有对称中心线的构件,由双数焊工对称进行焊接;焊缝不对称时,先焊装焊缝少的一侧。

(4)进行连续焊缝焊接时,应该等一处冷却后再对另一处施焊,防止热量过于集中。

(5)手工气体保护焊时,凡超过500mm的长焊缝,应采用分段退焊法或分中分段焊法进行焊接。

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(6)分段或总段的外板纵向接缝以及纵向构件与外板的角接焊缝,其两端应留出200~300mm不焊,以利于船台装配时对接。

(7)焊接时,应在满足技术要求的前提下,选择坡口间隙较小的焊缝。

(8)对于不需要进行强度计算的T形接头,应选用工艺上合理的最小焊脚尺寸,一般采用半自动焊。

(9)结构焊接尽量采用自动焊或半自动焊,提高焊接速度的同时,减少焊缝热输入量。

焊接电流、焊接速度和焊接方向等对结构变形都有一定的影响。大多数焊接结构的变形是随着焊接电流的增加而增加,而随焊接速度的加快而减小,所以一般都是在保证焊件和焊透的情况下采用热输入较小的焊接参数。焊接方向对变形的影响要视具体结构而定,同样一道焊缝可以采用不同方向进行焊接,可以从一端向另一端“直通”焊接,也可以从中间像两端或从两端向中间进行焊接,结果会引起不同的变形情况和应力状态。

Patel等[4]研究发现,ACE的基因多态性促使心动过速发展成快速性心律失常性心肌病。存在D型等位基因型的快速性心律失常患者,其ACE水平升高将导致Ang Ⅱ水平相应升高,致使心肌细胞发生增生、肥大等改变,造成左室扩大及室壁压力变化[21]。

4. 结语

由于生产过程中实际情况较为复杂,影响焊接变形的因素很多,有些因素还互相影响、叠加,并且还存在一些不可知、不可测因素,所以想完全消除焊接变形是不可能的。根据产品的实际施工经验,整理铝合金分段建造中控制变形的基本原则方法,得到了很好的效果,并且这些方法都已在实际产品建造中使用推广,具有一定的可操作性。

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参考文献:

[1] 石荣全,王金城,连玲玲.船体装配工艺学[M].哈尔滨:哈尔滨船舶工程学院出版社,1989.

[2] 李标峰.船用铝合金焊接及其船体建造工艺[M].北京:国防工业出版社,2005.

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