空間曲面結(jié)構(gòu)件焊接變形控制及消除方法研究

王晉平，徐 斌，牛中棟

（山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長治046000）

1 空間曲面結(jié)構(gòu)件焊接變形原因

焊接結(jié)構(gòu)件頂板采用空間曲面形狀，背面采用焊接網(wǎng)格筋進(jìn)行加強。焊接結(jié)構(gòu)件全部選用4 mm厚HG785D型鋼板，具有強度高，質(zhì)量小的特點，實物圖件圖1。

圖1 空間曲面結(jié)構(gòu)件實物圖

生產(chǎn)過程中，頂板采用壓模一次壓制成型，采用樣板進(jìn)行檢測，曲面誤差不大于0.5 mm。網(wǎng)格筋采用激光切割機直接成形下料，各尺寸誤差不大于0.3 mm。組裝并采用半自動混合氣體保護焊焊接完成后，對頂板曲面進(jìn)行樣板檢測，變形尺寸：空間曲面進(jìn)行橫向樣板檢測，最大焊接變形為9 mm，主要集中在曲面凸起變截面部位；空間曲面進(jìn)行縱向樣板檢測，最大焊接變形為10 mm，主要出現(xiàn)在曲面上端，即凸起最高點；背面縱向?qū)挾瘸叽?，收縮最大值為4 mm；背面橫向?qū)挾瘸叽?，收縮最大值為3 mm；背面檢測平面度，對角線位置超過5 mm；背面檢測對角距離，相差約7 mm。

焊接結(jié)構(gòu)件使用時，背面平面需要與其他構(gòu)件平面進(jìn)行螺接，對下端平面度要求不超過2 mm。上端需要與其他成形曲面對接，要求貼合部分不少于80%。經(jīng)過首次焊接完成的工件無法達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求，且無法實現(xiàn)產(chǎn)品使用功能。鑒于焊接結(jié)構(gòu)件采用HG785D型焊接鋼板，無法高溫校形，通過機械校形后，寬度和長度變短，曲面成形凸凹不平，無法滿足產(chǎn)品匹配使用要求。背面下端面由于焊接變形較大，在校形過程中出現(xiàn)焊縫撕裂，造成產(chǎn)品失穩(wěn)，無法滿足產(chǎn)品承載要求。另外，由于焊接殘余應(yīng)力較大，附加機械強制校形，焊接結(jié)構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力也較大，在自然時效后或使用過程中，焊接結(jié)構(gòu)件尺寸會再次出現(xiàn)變化，極有可能產(chǎn)生較大變形引起其他部件損壞。

2 空間曲面結(jié)構(gòu)件焊接變形分析

針對該焊接結(jié)構(gòu)件在焊接和校形工序完成后出現(xiàn)的焊接變形、校形撕裂及殘余應(yīng)力等問題，逐一進(jìn)行分析。

2.1 焊接變形問題

該問題根據(jù)工件焊接實施過程進(jìn)行分析，主要從工件結(jié)構(gòu)、焊縫分布和焊接方向三方面進(jìn)行焊接變形產(chǎn)生原因的理論分析：

2.1.1 工件結(jié)構(gòu)

工件采用左、右對稱結(jié)構(gòu)，焊縫全部分布在背側(cè)，前半部分焊縫多、后半部分焊縫少，正面無焊縫結(jié)構(gòu)。該工件首件焊接時的施焊順序為：從中心部位向左端和右端同時焊接，焊接方向均采用圖2所示方向，全部為從前端向后端施焊。

2.1.2 焊縫分布

通過焊縫結(jié)構(gòu)分析可知，產(chǎn)品整體呈現(xiàn)內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，上、下結(jié)構(gòu)極度不對稱，焊縫全部集中了在內(nèi)凹一側(cè)，焊接初期受熱膨脹，造成頂板因壁厚較薄，穩(wěn)定性較差，產(chǎn)生強度失穩(wěn)變形現(xiàn)象。焊接后期冷卻時，焊縫及熱影響區(qū)的材料產(chǎn)生收縮變形，產(chǎn)生焊接變形和殘余應(yīng)力。而遠(yuǎn)離頂板部位采用柵格結(jié)構(gòu)，強化了工件結(jié)構(gòu)強度，穩(wěn)定性較高，故焊接變形較小。因此，從焊接結(jié)構(gòu)來講，頂部強度較弱，底部強度較強，即底部穩(wěn)定性相較于頂部較高。

圖2 焊接結(jié)構(gòu)件焊接方向示意圖

依據(jù)焊縫分布狀態(tài)分析可知，產(chǎn)品焊縫在前半部分布密集，后半部分分布較為稀疏。從焊接過程產(chǎn)生的影響角度可知，前端焊接時受焊接熱循環(huán)影響較大，后端受焊接熱循環(huán)影響較小。同時，前端中間存在外凸加強，焊縫長度增加，受到焊接熱循環(huán)影響更大。因此，從焊縫分布來講，前端較后端穩(wěn)定性高、中間較左右兩側(cè)穩(wěn)定性差。

2.1.3 焊接方向

結(jié)合焊接順序分析可知，先中間、后左右的焊接順序以及從前端向后端施焊的焊接方向，會因為產(chǎn)品焊接穩(wěn)定性較差的中間、前端時，呈現(xiàn)自由變形狀態(tài)，故焊接變形量較大。在后續(xù)焊接左右兩側(cè)、后端穩(wěn)定性較強部分時，由于焊接變形已經(jīng)產(chǎn)生，導(dǎo)致加強筋發(fā)生錯位，在強行糾正后，焊接應(yīng)力進(jìn)一步較大，最終導(dǎo)致焊接變形越來越大，焊接殘余應(yīng)力也越來越大。

通過上述分析，可知在焊接結(jié)構(gòu)本身不對稱的情況下，加上焊縫分布不均和焊接方向選擇不合理，最終導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)生了較大的焊接變形。

2.2 校形開裂問題

該問題主要從校形過程中，工件受力狀態(tài)進(jìn)行分析。在使用油壓機進(jìn)行機械校形過程中，采用四點支撐，中部下壓的方式進(jìn)行校形，示意圖見圖3。

在下壓過程中，四點向上支撐，工件頂板受力向下延展。由于支撐部位較少，下壓部位先產(chǎn)生彈性變形，再產(chǎn)生塑性變形，為達(dá)到校形效果，必須使中間產(chǎn)生較大的形變。在該承載情況下，中心部位出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。結(jié)合焊接完成后工件應(yīng)力集中趨勢可知，內(nèi)凸頂部的應(yīng)力集中也較為明顯。兩者疊加，超過焊縫承載能力，直接導(dǎo)致校形過程中焊縫開裂。

圖3 焊接結(jié)構(gòu)件校形示意圖

2.3 殘余應(yīng)力問題

產(chǎn)品經(jīng)歷焊接和機械校形后，存在焊接殘余應(yīng)力和校形應(yīng)力。同時產(chǎn)品選用控軋工藝成形的焊接用高強鋼板。未進(jìn)行退火去應(yīng)力處理。僅僅依靠振動時效，只能將應(yīng)力進(jìn)行消減。故在后續(xù)機加和使用過程中，應(yīng)力會逐漸釋放，直接影響產(chǎn)品尺寸精度。

3 解決空間曲面結(jié)構(gòu)件焊接變形的辦法

3.1 焊接變形控制

依據(jù)焊接變形產(chǎn)生原因分析結(jié)論和實物變形狀態(tài)。針對焊接結(jié)構(gòu)不對稱、焊接過程易失穩(wěn)的狀態(tài)，擬定采用剛性固定工裝進(jìn)行控制。針對焊縫分布不均勻的設(shè)計要求，擬定采用優(yōu)化焊接順序，減少焊接變形的產(chǎn)生。針對薄板焊接易變形這一固有特點，采用分組件裝點、留焊接收縮量的措施保證焊接變形后，使產(chǎn)品尺寸滿足使用要求，具體措施如下：

1）縱向加強筋板兩端各留3 mm焊接收縮量，橫向加強筋板兩端各留2 mm焊接收縮量。

2）頂板凸起頂部高度增高1 mm，用于焊接收縮量。

3）采用頂板仿形工裝進(jìn)行定位，組焊縱、橫網(wǎng)格加強筋成小組件，焊接校形后再與頂板組焊。

4）焊接頂板時，在頂板一側(cè)增加剛性固定工裝，增強頂板穩(wěn)定性。

5）焊接加強筋和頂板的順序，改為由四周向中間施焊，并要求對稱同時施焊。

采取上述五種焊接變形控制措施，進(jìn)行實物驗證后。檢測結(jié)果如下：空間曲面進(jìn)行橫向樣板檢測，最大焊接變形為4 mm，仍然集中在曲面凸起變截面部位；空間曲面進(jìn)行縱向樣板檢測，最大焊接變形不超過3 mm；背面縱向?qū)挾瘸叽?，與圖紙要求偏差不超過2 mm；背面橫向長度尺寸，與圖紙要求偏差不超過mm；背面檢測平面度，對角線位置不超過3 mm；背面檢測對角距離，相差約2 mm。在后續(xù)生產(chǎn)過程中，采用該方案，獲得產(chǎn)品一致性較好，超過80%以上產(chǎn)品低于上述焊接超差值。

3.2 校形方法改進(jìn)

依據(jù)校形開裂產(chǎn)生原因分析結(jié)論和實物開裂狀態(tài)。采取上述焊接變形控制措施后，校形工作量大大減少。在此基礎(chǔ)上，為保證焊接校形準(zhǔn)確性和產(chǎn)品一致性，擬定采用圖4所示工裝進(jìn)行下部支撐，完成校形過程。

圖4 校形裝配實物圖

采用上述工藝裝備，配合油壓機在中間位置進(jìn)行下壓時，兩側(cè)均勻承載，可實現(xiàn)局部小范圍校形?；诤附幼冃慰刂屏己玫臓顟B(tài)下，中間部位不再進(jìn)行大變形量即可取得到良好的校形效果。

在后續(xù)批量生產(chǎn)過程中，采用上述方案，校形后的產(chǎn)品尺寸趨于一致，滿足批量產(chǎn)品一致性的要求。

3.3 焊接應(yīng)力消減

基于上述焊接變形控制和校形方法改進(jìn)后，產(chǎn)品外形尺寸趨于穩(wěn)定，在附帶剛性固定工裝進(jìn)行振動時效，焊接應(yīng)力得以大部分消減。焊接結(jié)構(gòu)件承載能力趨于穩(wěn)定，同時焊接結(jié)構(gòu)件的外形尺寸趨于一致。

4 結(jié)語

根據(jù)產(chǎn)品首件生產(chǎn)結(jié)果，結(jié)合自身工作經(jīng)驗，運用變形產(chǎn)生及控制、消除的理論，對空間曲面焊接結(jié)構(gòu)件變形原因、校形缺陷、質(zhì)量風(fēng)險進(jìn)行分析。采用自制裝夾和校形工裝、焊接順序調(diào)整兩方面的控制措施，一方面成功克服了焊接變形大、校形撕裂的問題，另一方面有效地降低了產(chǎn)品殘余應(yīng)力集中的質(zhì)量風(fēng)險。

在后續(xù)多批次產(chǎn)品生產(chǎn)中，采用上述生產(chǎn)方案，進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)件的焊接和校形。經(jīng)過多批次實物驗證，未發(fā)現(xiàn)焊接變形超差報廢問題和焊縫校形開裂問題，且在使用過程中未發(fā)現(xiàn)尺寸變化而影響使用現(xiàn)象，從根本上確保了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。