大尺寸結(jié)構(gòu)件焊接變形控制

張治國(guó) 滕 達(dá) 郭寶玉 郭利新 劉樂威

（河南能源化工集團(tuán)重型裝備有限公司，開封 475000）

PC模臺(tái)具有面積大、厚度小、臺(tái)面平面度要求高以及焊接變形不易控制等特點(diǎn)。臺(tái)面平面度要求≤2 mm，常規(guī)工藝通常采用焊后整體加工臺(tái)面的方法保證臺(tái)面平面度，存在生產(chǎn)效率低、成本高以及加工難度大等缺點(diǎn)。模臺(tái)拼焊過程中，臺(tái)面平面度是制作過程中的控制重點(diǎn)，也是制造企業(yè)一直研發(fā)攻關(guān)的難點(diǎn)。河南能源化工集團(tuán)重型裝備有限公司2020年承接臺(tái)面板厚t12、長(zhǎng)×寬為5.6 m×3.9 m 的PC模臺(tái)制作。臺(tái)面板厚薄，若通過焊后加工的方法保證平面度，會(huì)導(dǎo)致臺(tái)面板厚減小，影響使用強(qiáng)度。為控制焊接變形，通過各種焊接變形控制措施證明，在保證一定的反變形前提下，采取剛性固定和合理焊接順序的方法可以有效控制焊接變形量[1]。

1 模臺(tái)結(jié)構(gòu)分析

PC模臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，分別由臺(tái)面、框架以及移動(dòng)軌道組成。根據(jù)焊接變形大小，將模臺(tái)臺(tái)面分為A區(qū)域、B1～B4區(qū)域以及C1～C2區(qū)域共7部分。從模臺(tái)臺(tái)面（圖1）可以看出，此PC模臺(tái)臺(tái)面尺寸較大，臺(tái)面板厚小，只通過焊接變形控制措施保證臺(tái)面平面度≤2 mm難度較大。

圖1 模臺(tái)臺(tái)面外形示意圖

2 拼裝方法

下料時(shí)，使用鋸床下料，保證橫向型材下料尺寸、拼裝間隙≤2 mm，避免拼裝間隙過大產(chǎn)生過大應(yīng)力，引起焊接變形。拼裝前使用平臺(tái)復(fù)檢槽鋼和工字鋼平面度，保證全長(zhǎng)平面度≤1.5 mm。

為保證臺(tái)面平面度，先準(zhǔn)備拼裝平臺(tái)，使用測(cè)平儀及等高鐵找平焊接平臺(tái)。拼裝時(shí)，以平臺(tái)為基準(zhǔn)，先拼裝模臺(tái)框架。模臺(tái)臺(tái)面一側(cè)按圖紙要求緊貼平臺(tái)拼點(diǎn)，定位焊后復(fù)檢各件與平臺(tái)之間間隙，保證各件與平臺(tái)間隙≤ 1 mm。將臺(tái)面放在平臺(tái)上，使用測(cè)平儀或3 m以上板尺配合塞尺測(cè)量臺(tái)面平面度。本次研發(fā)過程中使用長(zhǎng)3.5 m的加厚鋁合金加厚板尺及塞尺測(cè)量平面度，保證對(duì)角及各位置平面度≤1.5（框架自重可改善臺(tái)面鋼板平面度）。在臺(tái)面上劃框架定位線，吊框架在臺(tái)面定位線處，保證拼裝間 隙≤1.5 mm·m-1。

3 焊接順序

為減少焊接變形，降低焊接殘余應(yīng)力，在保證焊縫強(qiáng)度前提下，本次采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、ER50-6焊絲、小電流、電壓進(jìn)行斷續(xù)焊焊接。焊接遵循先里后外、先短后長(zhǎng)、分段退焊的焊接順序原則。由中心向外均分，對(duì)稱焊接。大于1 m的長(zhǎng)焊縫采用分中對(duì)稱退焊法。定位焊、焊接均按此順序[2]。

4 焊接變形控制措施及焊接變形大小

在PC模臺(tái)項(xiàng)目焊接時(shí)，分別采用無(wú)束縛自由焊接收縮、反變形法、剛性固定法等方法對(duì)焊接變形進(jìn)行分析研究，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4.1 無(wú)束縛自由焊接收縮

在無(wú)束縛自由收縮狀態(tài)下焊接時(shí)，焊接變形情況如圖2所示。從圖2和表1不難看出：臺(tái)面在A區(qū)域無(wú)明顯變形，可以滿足平臺(tái)使用要求；B和C區(qū)域變形量超過2 mm。 C1～C2區(qū)域是變形量最嚴(yán)重，變形量在3～6 mm；B1～B4區(qū)域內(nèi)主要是對(duì)角線方向尺寸超差，變形量在1.8～4.5 mm，橫向尺寸受到C區(qū)域影響導(dǎo)致部分尺寸超差。從上述分析可以看出，模臺(tái)焊接變形控制主要在于C1～C2區(qū)域焊接變形的控制。通過無(wú)束縛、無(wú)反變形情況下焊接變形分析，可為采取焊接變形控制措施提供依據(jù)[3]。

圖2 無(wú)束縛自由焊接收縮變形區(qū)域

4.2 反變形法

為把B區(qū)域、C區(qū)域焊接變形控制在2 mm范圍內(nèi)，拼框架時(shí)，使用4 mm等高墊板按照?qǐng)D3方法進(jìn)行拼裝。在保證A區(qū)域平面度前提下，控制B區(qū)域、C區(qū)域反變形量約4 mm?？蚣芏ㄎ缓负筮M(jìn)行加固焊接，然后拼點(diǎn)臺(tái)面。焊后變形量，如表1所示?？梢钥闯觯珺區(qū)域、C區(qū)域焊接變形雖然得到改善，但臺(tái)面平面度仍不能滿足使用要求。主要原因在于反變形法是臺(tái)面局部反變形，在B和C區(qū)域之間有明顯的折彎點(diǎn)，焊后臺(tái)面呈現(xiàn)凸凹不平的波浪變形，影響A區(qū)域的平面度，不利于批量生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性。

圖3 反變形法示意圖

表1 不同區(qū)域不同焊接方法焊接變形量（單位/mm）

4.3 剛性固定法

由于模臺(tái)臺(tái)面較大，在焊接應(yīng)力及槽鋼和工字鋼內(nèi)應(yīng)力影響下，焊后變形量呈現(xiàn)多樣化。另外，臺(tái)面較長(zhǎng)，火焰矯形和機(jī)械矯形難度大，所以選擇合理焊接變形控制措施是保證模臺(tái)焊后平面度滿足使用要求的關(guān)鍵[4]。

通過對(duì)模臺(tái)無(wú)束縛自由焊接收縮變形量和反變形法焊接變形分析，反變形法對(duì)模臺(tái)焊接變形有一定的控制作用。結(jié)合上述兩種變形情況，按照?qǐng)D4方法，將兩件拼點(diǎn)好的模臺(tái)臺(tái)面對(duì)臺(tái)面、中間墊6 mm墊板、使用6～8件卡子打緊，使寬度兩側(cè)臺(tái)面貼緊。按照要求焊接順序焊接，焊后去除卡子。使用3.5 m長(zhǎng)加厚鋁合金板尺、塞尺測(cè)量焊接變形如表1所示，只有B1區(qū)域?qū)蔷€變形量3 mm超過模臺(tái)使用要求，其余均在2 mm范圍以內(nèi)。通過在B1區(qū)域局部進(jìn)行火焰矯正，測(cè)量后平面度≤2 mm，滿足平臺(tái)使用要求。使用剛性固定反變形法控制模臺(tái)的反變形量，可以預(yù)防焊接過程中在焊接應(yīng)力作用下引起的多樣化焊接變形，同時(shí)可以保證焊后臺(tái)面存在1～2 mm向上的撓度，焊后在模臺(tái)自重作用下保證臺(tái)面平面度。

圖4 剛性固定法示意圖

經(jīng)過批量生產(chǎn)驗(yàn)證，使用剛性固定法控制PC模臺(tái)焊接變形，變形分布情況為約80%變形超差的區(qū)域?yàn)锽1～B4對(duì)角線區(qū)域，約20%變形超差的區(qū)域在C1～C2局部位置，均可通過火焰矯正方法對(duì)面板平面度進(jìn)行校正[5]。

5 結(jié)論

（1）焊接變形較為復(fù)雜，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)件、不同焊接方法焊接變形控制措施差異較大，對(duì)于特定的結(jié)構(gòu)件可以從焊接變形規(guī)律和焊接變形分布情況分析驗(yàn)證，尋找合理的控制措施，使其滿足產(chǎn)品的使用要求；

（2）焊接變形控制措施如焊接順序、反變形法、剛性固定法等方法的合理配合使用，可以有效控制大尺寸結(jié)構(gòu)件變形量；

（3）在一定反變形條件下剛性固定，通過合理的焊接順序，可以控制大尺寸結(jié)構(gòu)件焊接變形。