齿轮焊接变形分析

时间：2020-12-13 08:03:03　来源：柠檬阅读网本文已影响人

(1.通辽职业学院;2.通辽市科区第二建筑工程公司，内蒙古通辽 028000) 
摘要：文章探讨了齿轮焊接中产生变形的原因，为有针对性地制定焊接工艺提供依据。
关键词：齿轮；
焊接；
变形分析
中图分类号：TG44 文献标识码：B 文章编号：1007—6921(2009)08—0097—02

焊接引起的内应力和变形是一个很复杂的过程，因为在整个焊接过程中，温度变化范围较大，在焊缝上最高温度远远超过金属材料的熔点，金属在高温状态下性能将发生变化。当电弧离开时，焊缝温度急剧下降，降至室温，温度的急剧变化导致焊缝产生变形。

齿轮焊接一般采用焊接性能较好的低碳钢，低碳钢屈服极限随温度的变化而变化，在0~500 ℃以下，屈服极限随温度上升而下降，温度达到600℃时，屈服极限接近于零，此时金属几乎完全处于塑性状态，即在很小的外力作用下就可以使金属产生塑性变形，这必然会影响整个焊接过程的应力分布，使齿轮焊接变形变得复杂化。
1 焊缝横向收缩引起角变形的分析

把齿圈与腹板组焊结，将此结构假设为丁字接头焊接结构，即齿圈为横板腹板立板结构，焊接时焊接的一面温度高，另一面温度低，温度高的一面产生的压缩塑性变形大，温度低的一面则小。冷却时导致板厚各层产生收缩不均匀现象，焊接的一面收缩大，另一面收缩小，形成角变形。角变形的大小与焊接规范、接头坡口形式、组焊件刚度等因素有关。焊接规范大，热能量增高，压缩塑性变形增大，坡口角度越大，上下横向收缩量越大，角变形量越大，用X形坡口两面焊接，有利于减小角变形。丁字接头的横向收缩与焊缝计算高度和板厚之比的关系大致估算如图所示，纵坐标为横向收缩变形Δ，横坐标为焊缝计算高度与板厚之比，其中A=0.7K。丁字接头的焊缝横向收缩受焊角厚度、轮缘厚度的影响，焊缝横向收缩随焊角厚度的增大而增大，随轮缘厚度的增大，组焊件刚度增大，角变形会减小，当结构刚度足够大时焊缝横向收缩趋近于零时，无角变形。轮式旋转体轮缘与轮辐实际结构是弧形，刚度比丁字结构大得多，产生角变形的可能性更小，在制定焊接工艺时可以不考虑角变形。

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2 焊缝纵向收缩引起变形的分析

轮式旋转体的焊接属圆形封闭结构，工件的纵向变形是由多方面因素引起的，变形的部位不仅与轮缘、轮辐刚度大小的有关，而且还与焊缝的大小有关。焊接时对金属局部加热，造成了焊件上温度分布不均匀，在电弧下的金属达到熔化温度，离开电弧处的金属温度急剧下降，远离电弧的金属还未得到加热，这样焊件就出现了不均匀膨胀，中间温度高的金属受到两边温度低的金属的阻碍，限制了它的自由伸长，使这部分金属产生压应力，两边温度低的金属受到反作用而产生拉应力，当中间金属受到的压应力超过屈服极限时，出现压缩塑性变形。冷却时，由于中间温度高的金属在加热时产生压缩塑性变形，所以，最后的长度比原来的长度短些，短少的长度，等于压缩塑性变形的长度，由于相互牵制的影响，两边的金属阻碍了它的缩短，在中间部分产生拉应力，两边金属内产生压应力。当轮缘比轮辐的刚度小时，轮缘产生失稳变形即波浪变形，当轮缘比轮辐刚度大时，轮辐产生失稳变形，当轮缘与轮辐刚度足够大时，不会产生失稳变形，但在热影响区焊缝上容易产生裂纹，焊缝的焊角高度越大，变形越大，而且与焊缝层数、焊接方法、预热温度等因素有关。
3 配间隙对焊接变形的影响分析

轮缘、轮辐间隙的不同，对组焊件产生影响。
3.1 轮缘、轮辐无间隙组装

轮式旋转体组焊件由轮缘、轮辐、轮毂组成，因为轮缘一般较轮辐厚得多，通常将轮缘焊前预热到200℃左右，使焊接部分的金属和周围基本金属的温度比较接近，可以均匀的同时冷却，减小焊接变形。

预热使轮缘直径变大，轮缘、轮辐产生间隙。在焊接时，一部分焊缝金属填充了间隙，使轮辐半径变大，轮缘内径变小，另一部分金属联结轮缘和轮辐，在高温状态时，焊缝和热影响区热涨，但轮缘、轮辐相对于熔化焊缝温度较低，对焊缝产生压应力，使焊缝被压缩变形，焊缝的填充金属部分被压缩变形，但不能被压缩掉，仍然留在轮缘的内径上或轮辐的外径上，使轮缘的内径变小，轮辐的外径变大。冷却时，一方面轮缘要恢复到原来的直径尺寸，对轮辐产生压应力，另一方面被压缩的焊缝金属对轮缘产生拉应力，对轮辐产生压应力，应力作用的结果使轮缘、轮辐产生失稳变形。
3.2 轮缘、轮辐有间隙组装

轮缘、轮辐间隙在周边均匀分布，焊接时预热轮缘，轮缘内径变大，间隙变大。在焊接过程中，轮辐的热涨处于自由状态，一部分焊缝金属填充了间隙，使轮辐半径变大，轮缘内径变小，另一部分金属联结轮缘和轮辐，在高温状态时，焊缝被压缩变形，出现两种情况，一种是填充间隙的焊缝金属，被压缩后恰好填充了原来留出的间隙，或多数填充间隙的焊缝金属处于热涨状态，少数填充间隙的焊缝金属被压缩，冷却时，轮缘轮辐不会产生失稳变形，另一种状态是填充间隙的焊缝金属多数被压缩，少量填充间隙的焊缝金属处于热涨状态，冷却时，被压缩的焊缝金属对轮缘产生拉应力，对轮辐产生压应力，应力作用的结果使轮缘、轮辐产生变形。

分析轮式旋转体焊接变形原因，为生产时制定工艺提供依据。通过制定合理的工艺来减少焊接变形的影响。
［参考文献］
［1］李亚江焊接冶金学［M］北京：机械工业出版社，2007，67～81.
［2］李致焕电气工程中的焊接技术与应用［M］北京：机械工业出版社，1998. 
［3］邢小林.焊接结构生产［M］北京：化学工业出版社，2002，90～97.

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