淺談10 m以上工鋼焊接變形控制

覃柱仁，陸維

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西柳州545007）

淺談10 m以上工鋼焊接變形控制

覃柱仁，陸維

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西柳州545007）

隨著公司工程機械的全方位發(fā)展，10 m以上構(gòu)件孕育而生，例如正面吊、空箱堆高機等。焊接過程中既要保證焊接質(zhì)量，又要控制焊接變形，尤其是作為門架滑道的“工”型鋼，槽口尺寸相差小于2 mm，10 m的直線度小于2 mm.本文通過工藝分折、試驗確定了合理的工藝方案，取得滿意的效果。

大型構(gòu)件；焊接變形；工藝方案

大型結(jié)構(gòu)件在實際生產(chǎn)中是指體積龐大、自身質(zhì)量大、由結(jié)構(gòu)鋼焊接而成的零部件。隨著機械工業(yè)的發(fā)展，大型結(jié)構(gòu)件在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應用。在工程機械產(chǎn)品中，大型結(jié)構(gòu)件是產(chǎn)品的骨骼，如起重機、正面吊、堆高機等都是由大量尺寸與規(guī)格不同的鋼板焊接而成的結(jié)構(gòu)件[1]。由于對焊接后的部分尺寸精度和位置精度的要求比較高，所以多數(shù)大型結(jié)構(gòu)件在焊后需經(jīng)機加工才能使用，但成本高，生產(chǎn)周期長。尤其是10 m以上的伸縮吊臂、門架滑道等，直線度要求小于2 mm，甚至有些經(jīng)過機加工也無法保證尺寸精度，稍有超差，不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至嚴重者會造成產(chǎn)品的報廢。因此在機械設(shè)備焊接過程中，采取一些必要的防范措施是完全可以有效防止或減少焊接變形的[2]。下面以制造10 m以上門架滑道“工”型鋼為例，為了防止或減少焊接變形，采取的一系列工藝防范措施和取得的效果進行探討。

1 焊接變形情況分析

該門架滑道為焊接式“工”型鋼，與H[3]型鋼相似，截面尺寸150 mm×336 mm，總長10 200 mm，兩翼板厚度為40 mm，腹板厚度為20 mm，整體成非對稱結(jié)構(gòu)，是一種典型細長焊接型鋼，如圖1所示，兩面用焊縫連接不開坡口的T型接頭，全部焊縫為15 mm.根據(jù)該結(jié)構(gòu)的特點，其焊接變形主要有三種型式：彎曲變形、角變形和扭曲變形。制造難點在于焊后不加工，10 m長的直線度小于2 mm（彎曲變形）；兩邊作為滾輪滑道，尺寸偏差小于2 mm（角變形）；扭曲變形小于2 mm.

圖1 焊接式“工”型鋼端面圖

1.1 彎曲變形[4]

彎曲變形主要來自縱向收縮，根據(jù)估算公式焊縫引起的撓度

式中：e為焊縫塑性變形區(qū)中心與截面中性軸的距離；qv為焊接線能量；L為焊縫長度；I為構(gòu)件截面慣性矩。

根據(jù)公式可知，焊接線能量、焊縫長度與撓度F成正比，由于焊縫長，焊接量大，如果焊接線能量不加以控制，或者各道焊縫的焊接線能量不一致，就會產(chǎn)生很大的焊接變形，即造成f值很大。

1.2 角變形

根據(jù)焊腳尺寸K、板厚δ與角度變形β的關(guān)系，K越大，則β越大；而δ越大，則β越小，當時δ≈40 mm，則不管K多大，β都小于0.02，如圖2所示。因此在該構(gòu)件中，翼板厚40 mm，焊接引起的角變形很小，因此可以不考慮。

圖2 低碳鋼T型接頭的角變形圖

1.3 扭曲變形

由于焊接順序不合理，各道焊縫的焊接方向不一致，或各條焊縫長度不一致，導致扭曲變形。

2 制定合理的下料、焊接、裝配工藝

2.1 下料工藝

該結(jié)構(gòu)件翼板所用鋼板厚度40 mm，寬度為150 mm，為消除或減少熱切割產(chǎn)生變形，可以采用較先進的激光切割或水下切割，如果只有等離子或火焰切割，則必須采用阻斷熱切割線能量輸入的方法。

方法一：像過年時的剪窗花，如圖3所示，簡稱為“剪窗花”工藝，就是將所有的長條料相連，待冷卻后去除連接點。缺點是重復預熱穿孔切割，效率低下。

圖3 “剪窗花”下料工藝

方法二：像竹子，每個竹節(jié)就是阻斷點，如圖4所示，簡稱為“竹節(jié)”工藝，“竹節(jié)”長度與條料的下料變形量成正比，合理的選取“竹節(jié)”長度和阻斷點形式，就可以有效控制下料的變形量，待冷卻后，處理阻斷點即可。缺點是材料利用率低，當然，如果能進行合理套料，這必定是首選方案。

圖4 “竹節(jié)”下料工藝

2.2 控制拼裝間隙及定位焊

若焊縫根部間隙過大，角焊縫根部熔化金屬量就要增多，拘束應力增大，變形也就增大，為此要確保零件的拼裝間隙小于2 mm.如果確實不可避免，則在定位焊后對焊縫根部間隙過大處進打底（主要在下料阻斷點處）。定位焊必須覆蓋兩端，防止端面焊接變形，定位焊一般焊腳尺寸K=5～6 mm，焊縫長度L=30～50 mm，間距約400 mm，定位焊位置盡可能保持對稱，防止扭曲變形。

2.3 焊接應盡量減少熱輸入量并制定合理的焊接順序[5]

由于焊縫大小及焊縫長度是設(shè)計需要決定的，那么工藝只能改變焊接線能量的輸入。焊接線能量與撓度f成正比，焊接線能量越大，產(chǎn)生的焊接變形越大，因此減少焊接線能量是減少焊接變形行之有效的方法。目前最簡單實用的方法就是分段跳焊，阻斷連續(xù)焊接線能量輸入，而且必須采用對稱雙槍焊接，每一節(jié)跳焊的焊縫長度必須完全一致，不允許有10 mm以上差異。

利用有限元焊接分析原理[6]，采用現(xiàn)有產(chǎn)品20“J”焊翼板槽鋼進行焊接長度2 400 mm的試驗（降試驗成本）。先通過電腦焊接仿真[7]，如圖5及表1所示，再選擇幾種優(yōu)化方案進行小批工藝試驗，如圖6所示，試驗表明必須在細長構(gòu)件的長度方向，以800 mm～1 000 mm為節(jié)點，進行分段式退焊的焊接方法引起焊接變形最小。如果將退焊及間斷跳焊合理搭配組合，在不同的焊層采用不同的方法，是可以保質(zhì)保量的。

圖5 焊接仿真

表1 計算機仿真結(jié)果

圖6 焊接試驗

以焊接式“工”字鋼為例，按如圖7所示進行1、2焊道的打底焊接，翻身用相同的方法對3、4焊道進行打底，翻身用相同的方法補焊1、2焊道的打底，再翻身焊接3、4焊道打底，接著以1500～2000 mm為節(jié)點進行連續(xù)分段退焊蓋面，如圖8所示，最后翻身完成1、2焊道蓋面，蓋面方式與3、4焊道蓋面一致。

圖8 蓋面焊接

2.4 焊接設(shè)備[8]

由于焊接工藝及試驗方法均是以雙槍焊接為基礎(chǔ)的，那么為滿足要求，必須兩人同時焊接，這顯然不現(xiàn)實，所以多槍焊接設(shè)備的投入就成為主要因素。通過踩點、上網(wǎng)、聯(lián)系焊機代理商等方式，采購一臺可修改的焊接小車，它可以適應所有細長焊縫，甚至可以同時使用4把焊槍，取名為“百變”小車，如圖9、10所示。

圖9 焊接小車改造前

圖10 焊接小車改造后

3 結(jié)論

在生產(chǎn)中，嚴格按照工藝進行施工，在組對工字鋼時，做一定位胎具，保證兩翼板面平行，以及腹板與兩翼板面的垂直度，所焊接的四根工字鋼，沒有一件產(chǎn)生扭曲變形，彎曲變形不明顯，完全達到了技術(shù)要求。因此只要分析透工件的特征及變形規(guī)律，在工藝上采取相應的措施，變形問題是可以消除的。

[1]庫茲米偌夫.C.A.船體結(jié)構(gòu)的焊接變形[M].北京：國防工業(yè)出版社，1978.

[2]奧凱爾勃洛姆.H.O.焊接應力與變形[M].北京：中國工業(yè)出版社，1958.

[3]羅邦富，選魏明鐘，陳明輝，等.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1988.

[4]中國機械工程協(xié)會焊接學會.焊接手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993.

[5]田錫唐編.焊接結(jié)構(gòu)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996.

[6]汪建華，陸?zhàn)?，魏良?固有應變有限元法預測焊接變形理論及其應用[J].焊接學報，2002，23（6）：36-40.

[7]鹿安理，史靜，趙海燕.焊接過程仿真領(lǐng)域的若干關(guān)鍵技術(shù)問題及其初步研究[J].中國機械工程，2000，11(1/2)：201-205.

[8]周浩森.焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)及裝備[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

Research on Controlling Welding Deformation of More than 10 Meters Long I-section Steel

QIN Zhu-ren，LU Wei
（Liugong Machinery Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

With the all-round development of LIU GONG company，the machine with more than 10 meters long I-section steel was developed，such as cranes，forklift etc.To ensure the quality of welding in the welding process and welding deformation control，especially as the mast with I-section steel，the open size tolerance is less than 2mm，10 meters straightness is less than 2mm.Through the analysis and experiment，the reasonable process scheme is determined，and the result is satisfactory.

large components；welding deformation；the processing plan

TG457.1

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0105-03

2017-02-12

覃柱仁（1979－），男，廣西來賓人，本科，工程師，主要從結(jié)構(gòu)件焊接工藝工作；陸維（1978－），男，廣西柳州人，本科，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計、試驗工作。