大型箱體結構件的焊接變形控制研究

張冰冰，陶 李

（合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 概述

本文所述大型箱體結構件指自身體積龐大、質量重大、由碳素結構鋼焊接而成的具有箱體結構的零部件。隨著機械工業(yè)的發(fā)展，大型箱體結構件在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應用，特別是在鍛壓行業(yè)，絕大多數(shù)壓機的上下梁都采用此種結構。

由于二氧化碳氣體保護焊（二保焊）具有焊接變形小，對水、鐵銹的敏感性不大，焊接過程操作方便，焊接速度快，生產(chǎn)效率高，有利于實現(xiàn)焊接過程中的機械化和自動化等特點，所以此類結構件多采用二保焊進行焊接。

焊接變形是焊接過程中因焊接工件受到不均勻的溫度場的作用而產(chǎn)生的形狀、尺寸變化。焊接變形不但可能引發(fā)工藝缺陷，而且在一定條件下將影響結構的加工精度、尺寸穩(wěn)定性和承載能力。因此，控制焊接變形是工程中的一個重要問題。

2 焊接變形的種類

在實際生產(chǎn)過程中，結構件的焊接變形主要有收縮變形、彎曲變形和扭曲變形。具體焊接件會出現(xiàn)哪種變形，與焊接件的結構、焊縫布置、焊接工藝及應力分布等因素有關。

2.1 收縮變形

收縮變形是焊接變形的基本形式。焊縫的冷卻過程是焊縫由液態(tài)轉化為固態(tài)的過程，轉化過程中將產(chǎn)生焊接應力和焊縫體積縮小的現(xiàn)象，從而導致焊后焊接件外形尺寸減小。收縮變形主要發(fā)生在簡單結構的焊接件中。由于焊縫少、焊縫方向基本一致，使得各條焊縫收縮方向一致，焊后僅出現(xiàn)收縮變形，使得焊件外形尺寸減小。

2.2 彎曲變形

彎曲變形是由多條焊縫的內應力和收縮變形結合的最終結果。主要是由于結構上焊縫布置不對稱或焊接件斷面形狀不對稱，多條焊縫收縮不一致引起的變形。彎曲變形的大小用撓度f 進行標示，撓度f是指焊后焊件的中心軸偏離焊件原中心軸的最大距離。如圖1 所示，工件下方有焊縫，上方?jīng)]有，由于收縮不一致導致工件出現(xiàn)上拱彎曲變形。

圖1 焊接應力導致的上拱變形

2.3 扭曲變形

扭曲變形是大型結構件焊接中最典型的焊接變形，由于此類結構件多為箱體框架結構，焊縫布置不對稱，板件尺寸厚度不均勻，焊縫布置無規(guī)律，致使焊縫內應力的方向不一致，大小不均勻，焊接變形的位置和方向難以預測，最終出現(xiàn)扭曲變形。

3 焊接變形的影響因素

3.1 焊縫分布的影響

一般來講，焊縫在設計時應將焊縫的位置設計成均布焊縫，如果焊縫位置分布不均勻，焊縫密集區(qū)的焊接應力大于稀疏區(qū)的應力，就會使兩區(qū)域的焊接變形量不一樣，焊接應力不能相互平衡。因此，設計焊縫時，應使焊縫盡量對稱于構件截面的中心軸或使焊縫接近中心軸，可減小彎曲變形。

3.2 組焊件剛度的影響

一般來說，剛性大的結構件，焊接變形?。唤Y構剛性小的構件，焊接變形大。結構剛度取決于結構件截面的形狀和尺寸，因此在箱式結構件鉚裝焊接時要考慮整體的剛度。

3.3 焊接坡口形式的影響

焊縫越長焊接變形就越大；坡口尺寸越大,變形就越大；裝配間隙越大,焊接變形也越大。焊接時,應在滿足技術要求的前提下,選擇坡口尺寸較小的焊縫。對于裝配間隙大的結構件可采用中間加筋板的形式來減小焊接變形。

3.4 焊接順序的影響

不同的焊接順序焊后將產(chǎn)生不同的變形量，在施焊時總體上應遵循的原則是焊縫對稱時，應采用對稱焊接，焊縫不對稱時，應先焊焊縫少的一側。在焊接時還應采取下列焊接技巧方法：（a）分段退焊法；（b）分中段退焊法；（c）分段跳焊接法；（d）交替焊法；（e）分中對稱焊接。如圖2 所示。

圖2 不同焊接順序的對接焊縫示意圖

3.5 焊接工藝參數(shù)的影響

焊接中，同樣的焊件，同樣的焊工，焊接工藝參數(shù)不同所產(chǎn)生的焊接變形也不同。單層焊、大電流、焊條移動速度慢、擺動幅度大、停留時間長,所產(chǎn)生的變形要大一些；而多層和多道焊，小電流、快速、焊條不擺動，則焊后變形小，因此在焊接時要根據(jù)焊件的結構情況采用合適的焊接參數(shù)。

4 焊接工藝控制案例分析

如圖3 所示箱體式結構件是某行業(yè)常見結構形式，通常由底板、頂板、中間腹板、加強筋板、四周圍板以及周圍的一些搭子組成。根據(jù)以上焊接變形的影響因素，分別從設計角度和工藝角度制定了下列控制焊接變形的措施。

圖3 某行業(yè)中很常見的組焊件結構形式

（1）設計角度控制措施：盡量把結構設計成對稱結構，焊接位置對稱分布。

（2）工藝角度控制從以下幾個方面進行：①能開雙面坡口的盡量開成雙面坡口，減小焊接量，這樣既可以減小焊接變形，又能提高焊接質量；②鉚裝時盡量使結構件的剛度增大后再進行焊接，因此安排了下面的裝配順序：第一步先以底板為底，在底板上依次裝件11、件9、件6、件8、件20、件10、件19后，蓋上頂板（件5），點焊固定。組成一個剛性比較大的整體后，然后再焊接，這樣焊接時由于結構對稱，焊接內應力可以相互牽制，焊接變形就會比較?。虎酆附硬僮鲿r，由不同的焊工在對稱位置施焊，采用分段退焊和分段跳焊的方式施焊，焊縫不要一次性焊滿，通過多次翻轉焊接來減小焊接變形；④通過多次翻轉，使焊接位置處在水平位置焊接（平焊）。打底時選用小電流，用?1.2 的焊絲打底，用?1.6 的焊絲進行填充、蓋面。

采用以上一系列防變形措施后，焊接后的結構件變形控制良好。

5 結束語

焊接變形本身是很復雜的課題。由于大型結構件的尺寸和自身質量大、焊縫分布復雜，控制大型結構件的焊接變形就更加困難，而且大型結構件的生產(chǎn)成本較高，只有降低產(chǎn)品的報廢率，才能提高產(chǎn)品生產(chǎn)的經(jīng)濟性。因此控制大型結構件的焊接變形就顯得更為重要。