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地磅承載器焊接問題分析

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

②橫向焊接殘余應力
橫向焊接殘余應力是指垂直于焊縫長度方向且平行于構件表面的應力。以鋼板焊接為例，橫向焊接殘余應力由兩部分組成：一部分是焊縫縱向收縮，它除產生上述縱向應力外，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生橫向拉應力，兩端產生壓應力；另一部分由于焊縫在施焊過程中冷卻時間的不同，先焊的焊縫已經凝固，會阻止后焊焊縫在橫向自由膨脹，使它發生橫向壓縮塑性變形。當先焊部分凝固后，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。而產生橫向焊接殘余應力
③厚度方向焊接殘余應力
厚度方向焊接殘余應力是指垂直于焊縫長度方向且垂直于構件表面的應力。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。
因此，焊縫除了縱向和橫向應力之外，在厚度方向還存在焊接殘余應力。
焊接殘余應力是自相平衡的內應力，其拉應力合力與壓應力合力相等。因此，對于沒有嚴格應力集中的焊接構件，在靜力載荷作用下，只要鋼材具有一定的塑性變形能力，焊接殘余應力不會影響構件的承載能力。
在焊接構件中均存在雙向或三向殘余應力，當形成同向應力，尤其是同向拉應力時由于塑性變形受到約束，使焊縫附近的材料變脆，裂紋容易產生和開展，因而降低了焊縫及其附近鋼材的疲勞強度，尤其是在低溫情況下，冷脆現象更明顯。另一方面，最大焊接殘余應力常達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展，從而降低了構件的疲勞強度。
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生焊接殘余應力和焊接殘余變形。
這就是為什么我們在焊接U型梁結構的地磅承載器時，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構的尺寸精度和外觀，并可能導致構件產生初彎曲、初扭曲以及初偏心等，從而構件受力時產生附加彎矩、扭矩和變形，引起其承載能力降低。
導致整個承載器發生扭曲，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從構造和焊接工藝兩方面采取措施。
1.構造措施
①為避免焊接熱量集中引起焊接應力過于集中，應盡量減少焊縫數量以及焊縫的厚度和長度。搭接角焊縫一般設計成焊腳尺寸適當小而焊縫長度相當長些；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錯開一定的距離，加強筋肋內面切角應避免其焊縫與翼緣和腹板間的主要受力焊縫交叉。
②為避免截面突發引起應力集中現象，連接過渡應盡量平緩。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構的角焊縫采用凹形或平坡形角焊縫；當板厚小于7mm的搭接連接，搭接長度應不小于25mm，并且不應只采用一條正面角焊縫來傳力。
③為避免焊接缺陷引起應力集中，焊縫應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采取適當的焊接順序和方向，例如為了使每次施焊產生的殘余應力和殘余變形有所抵消，應盡量采用對稱焊、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中的阿拉伯數字表示施焊的順序。

而目前許多地磅出現的問題都是集中在承載器的結構上,特別是焊接應力造成的結構變形上。
U型梁結構的地磅承載器目前都是采用連續自動焊接的，正是由于連續焊接，所以在焊接時“熱影響區”越來越大，鋼材產生膨脹也大；而冷卻時鋼材產生收縮，內部就產生內應力，給承載器帶來變形的隱患，焊接和冷卻時應力方向如圖3所示.

解決方法是采用合理的焊接工藝。我們建議采用“斷續跳躍法”，即將需要焊接的區域分為多段（當然這些分段的數量可以依據工藝試驗后，進行確定），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”，減少冷卻時產生的內應力，從而減少承載器的變形。但是必須有效控制劃分的段數，劃分的太多會影響焊接效率，劃分的太少對降低焊接應力的作用不大.
此種方法的缺點是：工作效率比較低；如果是自動焊機，必須調整焊機的程序。
②施加反變形。施焊前使構件有一個和焊接變形相反的預變形，焊接后產生的焊接變形與預變形可以相互抵消。這種方法可減小焊接殘余變形，但不會消除焊接殘余應力。
③施焊前預熱。在施焊前將構件整體或局部預熱至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力并減少發生裂紋的危險。較厚的鋼材或在低溫環境下焊接時，通常應對焊縫附近局部進行預熱。
④在焊接過程中，應盡量減少焊接約束等影響（如兩端的封板后焊），即盡量使金屬構件能夠在自由狀態下受熱和冷缺，以減少焊接殘余應力。
⑤汽車承載器在存放、運輸等自然時效去應力過程中，應注意存放支撐的位置，最好在工藝中有明確規定，以減少因殘余應力的釋放而造成的變形。
3.減少焊接殘余應力的方法
①熱時效法
在施焊后加熱到 600℃左右進行高溫回火，保持一段恒溫后緩慢冷卻。對于尺寸較小的焊件可進行整體高溫回火，由于加熱已達到鋼材的熱塑性溫度，可消除大部分殘余應力，而對尺寸較大焊件可對焊縫附近或殘余應力較大部位進行局部高溫回火，以減小殘余應力。但是，由于這種方法屬于高耗能的工藝，目前基本上已經被淘汰了。
②拋丸噴砂法
對于要求比較高的結構件來講，拋丸噴砂是涂裝之前必須進行的一項工作，此項工藝對于焊接應力的均化也是有意義的。通過拋丸的作用可以將一部分結構件表面的應力均化了，有效減少焊接應力的不良影響。
③過負荷法
過負荷法是在結構件焊接結束后，在短時間內將結構件能夠承受的最大作用力作用其上，反復多次地作用于結構件上，目的是讓結構件中的內應力盡快釋放出來。當然也可以將裝滿載荷的車輛反復在該結構件上碾壓。
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，即構件在激振器所施加的周期性外力作用下產生共振，從而松弛由于焊接造成的殘余應力，以獲得尺寸精度穩定，可以與熱時效的構件媲美。振動時效可以均化殘余應力50％左右，效果比熱時效低一些，但比自然時效高，主要是降低殘余應力峰值；它和自然時效一樣，能保持構件的剛度，
而熱時效卻使構件的剛度下降。振動時效的最大優點就是節約能耗，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焊接結束U型梁之后，為了均化焊接應力、穩定結構，最好在15-20min之內進行振動時效，而后再焊接兩端的端板。
a.對機械性能的影響
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，穩定工件尺寸精度，消除工件應力有著不可忽視的作用。
c.對殘余應力的影響
在振動過程中，工件受周期性附加應力的作用，在應力集中處首先發生局部的塑性變形，峰值應力處產生的塑性變形較大，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行了振動時效、熱時效和自然時效處理。經觀測，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，經振動時效的焊接件變形的持續時間也最短，在 30～60天內尺寸精度便達到穩定，而經熱時效的焊接件需100～150天才能穩定，而自然時效的焊接件尺寸持續變化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
經采用脈動疲勞壽命試驗，絕大多數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、結束語
因為作者沒有專門進行過焊接專業的學習，僅僅實踐過幾年的焊接工作，和從事過地磅等相關產品的焊接工藝編寫工作，并沒有系統地學習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雜的學科，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與否，焊接工藝執行的力度如何，都是產品質量能夠保證的基礎。
當然，任何產品質量除了正確的工藝之外，也離不開工藝裝備的設計合理，工藝裝備的裝備系數高低等問題.

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