地磅承載器焊接問題分析

由于目前我國絕大多數(shù)的地磅承載器都是采用金屬結(jié)構(gòu)，這樣焊接問題就成為影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。對于如何減少焊接帶來的結(jié)構(gòu)件變形，本文從焊接工藝角度，分析了焊接殘余應(yīng)力對地磅承載器性能的影響，提出了減少焊接殘余應(yīng)力的幾種方法。
一、概述
近幾年來地磅在檢定和使用中出現(xiàn)“段差”較大的問題。這些問題主要表現(xiàn)是那些由多節(jié)結(jié)構(gòu)組成的承載器，由于大家都模仿U型梁結(jié)構(gòu)制造，特別是在焊接U型梁時采用連續(xù)不間斷的方式，沒有掌握正確的焊接工藝情況下，造成了加工內(nèi)應(yīng)力積聚，一旦釋放就使承載器結(jié)構(gòu)變形，從而影響到地磅的計量性能。
二、焊接殘余應(yīng)力與變形
鋼結(jié)構(gòu)在焊接過程中，在焊件上產(chǎn)生局部高溫的不均勻溫度場，高溫部分的鋼材膨脹受到鄰近鋼材的約束，從而在焊件內(nèi)部引起較高的溫度應(yīng)力和變形，稱為焊接應(yīng)力和焊接變形。焊接應(yīng)力較高的部位產(chǎn)生塑性變形，冷卻后將殘存于構(gòu)件內(nèi)部，因而將殘存于構(gòu)件內(nèi)部的焊接應(yīng)力和焊接變形稱為焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形。
1.焊接殘余應(yīng)力
焊接殘余應(yīng)力是一種無載荷作用的內(nèi)應(yīng)力，因此會在構(gòu)件內(nèi)自相平衡。焊接殘余應(yīng)力包括縱向應(yīng)力、橫向應(yīng)力和構(gòu)件厚度方向的應(yīng)力。
①縱向焊接殘余應(yīng)力
縱向焊接應(yīng)力是指沿焊縫長度方向的應(yīng)力。在施焊時，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場，焊縫附近的溫度可高達(dá)1600℃以上，鄰近區(qū)域則溫度急劇降低。不均勻的溫度場產(chǎn)生了不均勻的膨脹，焊縫附近高溫處的鋼材膨脹最大，溫度較低區(qū)域膨脹較小。膨脹大的區(qū)域受到周圍膨脹小的區(qū)域的限制，產(chǎn)生了熱塑性壓縮。焊縫冷卻時，產(chǎn)生熱塑性壓縮的焊縫趨向于縮短，但受到兩側(cè)鋼材限制而產(chǎn)生了縱向拉應(yīng)力，兩側(cè)鋼材因中間焊縫收縮而產(chǎn)生縱向壓應(yīng)力。
a縱向殘余應(yīng)力；b焊接殘余變形；c橫向殘余應(yīng)力（縱向收縮引起的）；d橫向殘余應(yīng)力（橫向收縮引起的）；e橫向殘余應(yīng)力總和

②橫向焊接殘余應(yīng)力
橫向焊接殘余應(yīng)力是指垂直于焊縫長度方向且平行于構(gòu)件表面的應(yīng)力。以鋼板焊接為例，橫向焊接殘余應(yīng)力由兩部分組成：一部分是焊縫縱向收縮，它除產(chǎn)生上述縱向應(yīng)力外，還使兩塊鋼板趨向于形成反方向的彎曲變形，但焊縫已將其連成整體，因此在兩塊板的中部產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，兩端產(chǎn)生壓應(yīng)力；另一部分由于焊縫在施焊過程中冷卻時間的不同，先焊的焊縫已經(jīng)凝固，會阻止后焊焊縫在橫向自由膨脹，使它發(fā)生橫向壓縮塑性變形。當(dāng)先焊部分凝固后，中間焊縫部分逐漸冷卻，后焊部分開始冷卻。這三部分產(chǎn)生杠桿作用，使后焊部分收縮而受拉，先焊部分因杠桿作用也受拉，中間部分則受壓。而產(chǎn)生橫向焊接殘余應(yīng)力
③厚度方向焊接殘余應(yīng)力
厚度方向焊接殘余應(yīng)力是指垂直于焊縫長度方向且垂直于構(gòu)件表面的應(yīng)力。較厚鋼板焊接時，焊縫厚度方向中部冷卻比表面緩慢，形成中間焊縫受拉，四周受壓的狀態(tài)。
因此，焊縫除了縱向和橫向應(yīng)力之外，在厚度方向還存在焊接殘余應(yīng)力。
焊接殘余應(yīng)力是自相平衡的內(nèi)應(yīng)力，其拉應(yīng)力合力與壓應(yīng)力合力相等。因此，對于沒有嚴(yán)格應(yīng)力集中的焊接構(gòu)件，在靜力載荷作用下，只要鋼材具有一定的塑性變形能力，焊接殘余應(yīng)力不會影響構(gòu)件的承載能力。
在焊接構(gòu)件中均存在雙向或三向殘余應(yīng)力，當(dāng)形成同向應(yīng)力，尤其是同向拉應(yīng)力時由于塑性變形受到約束，使焊縫附近的材料變脆，裂紋容易產(chǎn)生和開展，因而降低了焊縫及其附近鋼材的疲勞強(qiáng)度，尤其是在低溫情況下，冷脆現(xiàn)象更明顯。另一方面，最大焊接殘余應(yīng)力常達(dá)到或接近鋼材的屈服點，這將促使疲勞裂紋更容易形成和擴(kuò)展，從而降低了構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。
2.焊接殘余變形
在焊接過程中，焊件不均勻受熱和不均勻冷卻將產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形。
這就是為什么我們在焊接U型梁結(jié)構(gòu)的地磅承載器時，不能在焊接U型梁的同時將兩端的封板焊牢，而是要按照一定的焊接工藝先將 U型梁與面板組合，待此部分冷卻后，再將兩端的封板和搭接頭與其組合焊牢。
因為焊接殘余變形影響結(jié)構(gòu)的尺寸精度和外觀，并可能導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生初彎曲、初扭曲以及初偏心等，從而構(gòu)件受力時產(chǎn)生附加彎矩、扭矩和變形，引起其承載能力降低。
導(dǎo)致整個承載器發(fā)生扭曲，使承載器多塊臺板之間的搭接頭不能平整連接，以致輕載車輛與重載車輛的誤差變化較大，甚至于車輛離開承載器后示值也不能迅速回到零點。
三、減小焊接殘余變形的方法
減少焊接殘余變形應(yīng)從構(gòu)造和焊接工藝兩方面采取措施。
1.構(gòu)造措施
①為避免焊接熱量集中引起焊接應(yīng)力過于集中，應(yīng)盡量減少焊縫數(shù)量以及焊縫的厚度和長度。搭接角焊縫一般設(shè)計成焊腳尺寸適當(dāng)小而焊縫長度相當(dāng)長些；焊縫盡量對稱布置，盡量避免焊縫過于集中或多方向焊縫交于一點，焊縫間留一定的間距；拼接梁的翼緣對接處與腹板對接處應(yīng)錯開一定的距離，加強(qiáng)筋肋內(nèi)面切角應(yīng)避免其焊縫與翼緣和腹板間的主要受力焊縫交叉。
②為避免截面突發(fā)引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，連接過渡應(yīng)盡量平緩。如寬度和厚度不同的鋼板拼接時采用不大于1:4的坡度過渡；直接承受動力載荷結(jié)構(gòu)的角焊縫采用凹形或平坡形角焊縫；當(dāng)板厚小于7mm的搭接連接，搭接長度應(yīng)不小于25mm，并且不應(yīng)只采用一條正面角焊縫來傳力。
③為避免焊接缺陷引起應(yīng)力集中，焊縫應(yīng)布置在便于施焊的位置，并且有合適的空間和角度，盡量避免仰焊。
2.焊接工藝措施
①采取適當(dāng)?shù)暮附禹樞蚝头较?，例如為了使每次施焊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和殘余變形有所抵消，應(yīng)盡量采用對稱焊、分段焊、厚度方向分層焊、鋼板分塊拼焊、工字形頂接時采用對角挑焊；為使收縮量或受力較大的焊縫留有伸縮余地，減小殘余變形，先焊收縮量較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫；先焊受力較大的焊縫，后焊受力較次要的焊縫;鋼板分塊拼接先焊短焊縫，后焊直通長焊縫。圖2中的阿拉伯?dāng)?shù)字表示施焊的順序。

而目前許多地磅出現(xiàn)的問題都是集中在承載器的結(jié)構(gòu)上,特別是焊接應(yīng)力造成的結(jié)構(gòu)變形上。
U型梁結(jié)構(gòu)的地磅承載器目前都是采用連續(xù)自動焊接的，正是由于連續(xù)焊接，所以在焊接時“熱影響區(qū)”越來越大，鋼材產(chǎn)生膨脹也大；而冷卻時鋼材產(chǎn)生收縮，內(nèi)部就產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，給承載器帶來變形的隱患，焊接和冷卻時應(yīng)力方向如圖3所示.

解決方法是采用合理的焊接工藝。我們建議采用“斷續(xù)跳躍法”，即將需要焊接的區(qū)域分為多段（當(dāng)然這些分段的數(shù)量可以依據(jù)工藝試驗后，進(jìn)行確定），如圖 4所示。

焊完“1”段后，越過“4”段、焊接“2”段，越過“5”段、焊接“3”段，再返回焊接“4”段、“5”段，依次類推。此種焊接方法可以盡可能地減少“熱影響區(qū)”，減少冷卻時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，從而減少承載器的變形。但是必須有效控制劃分的段數(shù)，劃分的太多會影響焊接效率，劃分的太少對降低焊接應(yīng)力的作用不大.
此種方法的缺點是：工作效率比較低；如果是自動焊機(jī)，必須調(diào)整焊機(jī)的程序。
②施加反變形。施焊前使構(gòu)件有一個和焊接變形相反的預(yù)變形，焊接后產(chǎn)生的焊接變形與預(yù)變形可以相互抵消。這種方法可減小焊接殘余變形，但不會消除焊接殘余應(yīng)力。
③施焊前預(yù)熱。在施焊前將構(gòu)件整體或局部預(yù)熱至100～300℃，施焊后保溫一段時間，以減小焊接和冷卻過程中溫度的不均勻程度，從而降低焊接殘余應(yīng)力并減少發(fā)生裂紋的危險。較厚的鋼材或在低溫環(huán)境下焊接時，通常應(yīng)對焊縫附近局部進(jìn)行預(yù)熱。
④在焊接過程中，應(yīng)盡量減少焊接約束等影響（如兩端的封板后焊），即盡量使金屬構(gòu)件能夠在自由狀態(tài)下受熱和冷缺，以減少焊接殘余應(yīng)力。
⑤汽車承載器在存放、運輸?shù)茸匀粫r效去應(yīng)力過程中，應(yīng)注意存放支撐的位置，最好在工藝中有明確規(guī)定，以減少因殘余應(yīng)力的釋放而造成的變形。
3.減少焊接殘余應(yīng)力的方法
①熱時效法
在施焊后加熱到 600℃左右進(jìn)行高溫回火，保持一段恒溫后緩慢冷卻。對于尺寸較小的焊件可進(jìn)行整體高溫回火，由于加熱已達(dá)到鋼材的熱塑性溫度，可消除大部分殘余應(yīng)力，而對尺寸較大焊件可對焊縫附近或殘余應(yīng)力較大部位進(jìn)行局部高溫回火，以減小殘余應(yīng)力。但是，由于這種方法屬于高耗能的工藝，目前基本上已經(jīng)被淘汰了。
②拋丸噴砂法
對于要求比較高的結(jié)構(gòu)件來講，拋丸噴砂是涂裝之前必須進(jìn)行的一項工作，此項工藝對于焊接應(yīng)力的均化也是有意義的。通過拋丸的作用可以將一部分結(jié)構(gòu)件表面的應(yīng)力均化了，有效減少焊接應(yīng)力的不良影響。
③過負(fù)荷法
過負(fù)荷法是在結(jié)構(gòu)件焊接結(jié)束后，在短時間內(nèi)將結(jié)構(gòu)件能夠承受的最大作用力作用其上，反復(fù)多次地作用于結(jié)構(gòu)件上，目的是讓結(jié)構(gòu)件中的內(nèi)應(yīng)力盡快釋放出來。當(dāng)然也可以將裝滿載荷的車輛反復(fù)在該結(jié)構(gòu)件上碾壓。
④振動時效法
振動時效是介于自然時效和熱時效兩者之間的方法，即構(gòu)件在激振器所施加的周期性外力作用下產(chǎn)生共振，從而松弛由于焊接造成的殘余應(yīng)力，以獲得尺寸精度穩(wěn)定，可以與熱時效的構(gòu)件媲美。振動時效可以均化殘余應(yīng)力50％左右，效果比熱時效低一些，但比自然時效高，主要是降低殘余應(yīng)力峰值；它和自然時效一樣，能保持構(gòu)件的剛度，
而熱時效卻使構(gòu)件的剛度下降。振動時效的最大優(yōu)點就是節(jié)約能耗，時效的效果比較好，最大的缺點就是噪音比較大，必須增加一些隔音裝置。
所以，地磅的承載器在連續(xù)焊接結(jié)束U型梁之后，為了均化焊接應(yīng)力、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，最好在15-20min之內(nèi)進(jìn)行振動時效，而后再焊接兩端的端板。
a.對機(jī)械性能的影響
振動處理后焊縫的疲勞極限有所提高，韌性與未處理材料基本一致，工件有較好的抗變形能力。
b.對焊接變形的影響
在機(jī)械冷體組焊接加工中，采用邊振動邊焊接方法，對控制冷作，焊接變形，穩(wěn)定工件尺寸精度，消除工件應(yīng)力有著不可忽視的作用。
c.對殘余應(yīng)力的影響
在振動過程中，工件受周期性附加應(yīng)力的作用，在應(yīng)力集中處首先發(fā)生局部的塑性變形，峰值應(yīng)力處產(chǎn)生的塑性變形較大，而其他部位相對較小，這樣對減少和均化殘余應(yīng)力有良好的作用。
d.對抗變形能力的影響
振動時效不僅能夠減少和均化殘余應(yīng)力，還可提高材料的抗變形能力。
e.對尺寸精度的影響
對同一種焊接件分別進(jìn)行了振動時效、熱時效和自然時效處理。經(jīng)觀測，振動時效后的變形量最小，其值僅為熱時效和自然時效后變形量的一半左右。同時，經(jīng)振動時效的焊接件變形的持續(xù)時間也最短，在 30～60天內(nèi)尺寸精度便達(dá)到穩(wěn)定，而經(jīng)熱時效的焊接件需100～150天才能穩(wěn)定，而自然時效的焊接件尺寸持續(xù)變化240～270天。
f.對硬度的影響
振動時效后的工件硬度微低于原工件，但比熱時效的硬度要高.
g.對疲勞壽命的影響
經(jīng)采用脈動疲勞壽命試驗，絕大多數(shù)工件疲勞壽命的平均值比未處理工件疲勞壽命
的平均值約提高20%以上。
四、結(jié)束語
因為作者沒有專門進(jìn)行過焊接專業(yè)的學(xué)習(xí)，僅僅實踐過幾年的焊接工作，和從事過地磅等相關(guān)產(chǎn)品的焊接工藝編寫工作，并沒有系統(tǒng)地學(xué)習(xí)過此方面的高深理論，本文只能從焊接工藝角度對地磅承載器焊接存在的問題進(jìn)行了分析，所以只能說在此“拋磚引玉”，或者是“班門弄斧”。實際上金屬的焊接是一門比較復(fù)雜的學(xué)科，有人就說：金屬焊接好比是“一座煉鋼爐”。焊接工藝編寫的恰當(dāng)與否，焊接工藝執(zhí)行的力度如何，都是產(chǎn)品質(zhì)量能夠保證的基礎(chǔ)。
當(dāng)然，任何產(chǎn)品質(zhì)量除了正確的工藝之外，也離不開工藝裝備的設(shè)計合理，工藝裝備的裝備系數(shù)高低等問題.

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