大型復(fù)雜框體成型控制技術(shù)研究

李臣達(dá)，高 楊，賈江鵬，李志敏，崔衛(wèi)則，賈彥奎

(1.山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長治 046012；2.火箭軍裝備部駐長治地區(qū)軍事代表室，山西 長治 046012)

0 引言

輕量化是地面制造裝備發(fā)展的必然趨勢,鋼結(jié)構(gòu)框體自重輕、抗震性能好、施工周期短,廣泛應(yīng)用于大型裝備生產(chǎn)中。大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)框體主要由矩形管和H型鋼等組焊而成,具有結(jié)構(gòu)尺寸特別大、開口型變形不易控制、剛性弱、壁薄、機(jī)加工形位公差精度高、接口尺寸多和裝夾定位困難等特點,框體呈多節(jié)點相貫連接的枝狀構(gòu)造結(jié)構(gòu),各枝狀節(jié)點焊縫集中,因應(yīng)力集中導(dǎo)致焊接變形復(fù)雜。因此,焊接變形控制是框體制造的主要難題之一[1-3]。本文重點介紹框體結(jié)構(gòu)特點及工藝流程,分析產(chǎn)生焊接變形的原因及影響因素,并制定控制焊接變形措施,并成功應(yīng)用于大型復(fù)雜框體焊接,取得了較好的效果。

1 結(jié)構(gòu)特點及工藝流程

框體為桁架結(jié)構(gòu),主要由端板、對接立梁、橫梁和斜筋等組成。某框體外形尺寸為4 500 mm×2 300 mm×11 000 mm,材料為Q345A優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼,其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1,由位于4個邊角的4根主立梁、用于2個框體對接的2根對接立梁、中間部位26根橫梁、40根斜筋及厚端板拼接組焊而成,框體焊縫主要以角焊縫、對接焊縫為主。

圖1 框體結(jié)構(gòu)示意圖

對接立梁為架體重要受力桿件,各橫梁、斜筋焊接位置集中于對接立梁桿件上,在焊接過程中極易產(chǎn)生角變形、扭曲變形、局部或整體變形。若焊接變形得不到有效控制,將直接導(dǎo)致框體整體外形尺寸及橫梁與分型面夾角嚴(yán)重超差,即便是分型面連接橫梁、安裝面預(yù)留機(jī)加工余量,但如果變形較大,在機(jī)加工過程中很可能出現(xiàn)“過加工”或“欠加工”的情況,導(dǎo)致機(jī)加工部位厚度不一致甚至加工不起來,以致于無法通過機(jī)加工序達(dá)到成型尺寸要求。因此,對于類似支撐多節(jié)點相貫連接的枝狀構(gòu)造結(jié)構(gòu),對零件下料、組對、焊接變形控制提出了較高要求,需要合理設(shè)置焊接工藝流程。

2 框體焊接變形原因及影響因素

框體焊接變形主要分為兩種:縱向收縮變形和橫向收縮變形?？v向收縮變形是指縱向縮短,主要發(fā)生在對接立梁與橫梁焊接處;橫向收縮變形是指橫向縮短,主要發(fā)生在對接立梁與橫梁,對接立梁、橫梁與斜筋焊接處。影響焊接變形的主要因素是焊接方向和焊接順序。適當(dāng)?shù)馗淖兒附臃较?可以使局部焊縫造成的變形減小或相互抵消,從而達(dá)到減小總體變形的目的。此外,應(yīng)盡量采用對稱焊接,以減小先焊焊縫在焊件剛性較小時造成的變形。

3 焊接變形控制

3.1 預(yù)留焊接收縮量

考慮到焊接枝點較多,各零件組焊過程中存在焊接收縮,零件成型應(yīng)預(yù)留焊接收縮量,分型面兩端對接立梁應(yīng)預(yù)留10 mm焊接收縮量,各零部件組焊后,框體整體成型精度由機(jī)加工序保證。

3.2 正確的焊接規(guī)范

整個焊接過程中,為了有效防止變形,組件選用臥式焊接,采用熔深大、焊接熱影響區(qū)小而熱敷效率高的CO2氣體保護(hù)半自動焊的工藝方法,并配合合理的焊接工藝參數(shù),采用手工焊或焊接機(jī)器人,焊絲為ER50-6,直徑Φ1.2,焊接參數(shù)見表1。在保證焊縫質(zhì)量的前提下,焊縫高度不要過大以減少焊接變形。

表1 焊接參數(shù)

3.3 合理的焊接順序

框體組焊時,為使焊接變形減到最小,應(yīng)確定好合理的裝焊順序。首先,對接梁、加強(qiáng)筋、對接板組成對接梁組件,兩件對接梁組件背靠背點固并焊接,焊后校直,同時短縱筋和相應(yīng)加厚塊組成短縱筋組件,焊后校直;其次,在裝點焊接定位工裝上裝點焊接對接立梁、橫梁、斜筋等件。測量長度方向焊接收縮量,裁掉多余部分后焊接厚墊塊、端板等其余件。焊接過程中應(yīng)使用弓形夾等夾具夾緊各對接立梁與橫梁等相接位置。

框體組焊焊縫以短角焊縫和對接焊縫為主,焊縫數(shù)量多且集中。要求4～6名焊工同時從中間向四周對稱焊接,先焊對接立梁與橫梁收縮量較大的對接焊縫,再焊對接立梁、橫梁與斜筋之間角焊縫。長度方向由中間向兩端施焊,寬度方向左右交替或左右對稱施焊。機(jī)器人焊接時分區(qū)域從中間向兩端施焊,兩側(cè)筋板交替對稱焊接。焊后校平直。

3.4 工裝控制

半框點焊定位工裝橫截面圖及局部視圖如圖2所示。在長度方向設(shè)置11處支架,在寬度方向采用快速夾鉗、定位塊和F夾鉗對對接立梁進(jìn)行限位,保證對接立梁位置不動。同時,半框點焊定位工裝中支架外側(cè)寬度方向尺寸采用機(jī)加工保證,從而保證半框內(nèi)檔距離尺寸的精確。半框點焊定位工裝支架上放置對接立梁與橫梁面均為機(jī)加工面,嚴(yán)格保證工裝精度在±0.2 mm之內(nèi)。

圖2 半框點焊定位工裝橫截面圖及局部視圖

3.5 校形

對于局部變形大的區(qū)域進(jìn)行校形。校形應(yīng)首先進(jìn)行粗校,然后進(jìn)行總體校形,并應(yīng)先從變形最嚴(yán)重的部位進(jìn)行。為了保證框體順利機(jī)加工裝配,校形應(yīng)保證在工藝預(yù)留的機(jī)加工余量范圍內(nèi)。

3.6 去應(yīng)力退火

由于框體是框架焊接結(jié)構(gòu),組焊后框體內(nèi)存在大量內(nèi)應(yīng)力,為保證加工精度和尺寸穩(wěn)定性,在加工前對框體整體進(jìn)行退火熱處理,以消除或減少焊接內(nèi)應(yīng)力。為了保證框體剛性,工藝撐桿隨框體進(jìn)行退火,且各弧框底部必須支平墊實。冷卻后再拆除工藝撐桿,以減少框體整體變形。

3.7 焊接變形量測量

本文對4個框體進(jìn)行了焊接變形量測量?？紤]長直焊縫焊后收縮,對接立梁總成零件下料時長度尺寸應(yīng)加8 mm焊接收縮余量。表2為框體各方向變形量數(shù)據(jù)。工藝要求對接立梁厚度20 mm按45 mm執(zhí)行,在高度方向留25 mm機(jī)加工余量,通過分析表2高度方向焊接變形量可知,25 mm機(jī)加工余量可保證后續(xù)機(jī)加工要求。

表2 框體各方向變形量

4 結(jié)束語

通過對框體焊接變形的形成原因進(jìn)行分析,采用合理的焊接規(guī)范、焊接順序可有效地控制焊接變形;通過校形、焊后去應(yīng)力退火,能夠有效釋放應(yīng)力,減少焊接變形;通過零件留加工余量,有效地控制了對接面平面度。通過現(xiàn)場實際生產(chǎn),驗證了該工藝方法合理、可靠、操作靈活,提高了焊接工作效率,減小了框體焊接變形量。本技術(shù)為減少框體焊接變形提供了很好的理論及實際方法,可在框體的焊接加工中推廣應(yīng)用。