長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)箱體焊接變形控制及研究

于前, 吳香清, 胡妞

（中聯(lián)重科股份有限公司，長(zhǎng)沙 410013）

0 引言

箱型結(jié)構(gòu)是工程機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)件中最常用的結(jié)構(gòu)，大型箱體結(jié)構(gòu)焊接后焊縫縱向收縮、橫向收縮以及撓曲不可避免，這些變形是結(jié)構(gòu)件在焊接生產(chǎn)中最常出現(xiàn)的問(wèn)題。焊縫金屬在焊接冶煉過(guò)程中，焊接熱輸入將引起工件不穩(wěn)定、不均勻的溫度場(chǎng)，同時(shí)由于焊縫母材受到焊接工裝等外部約束作用，近焊縫區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力。當(dāng)焊縫的縱向收縮產(chǎn)生的壓應(yīng)力達(dá)到臨界失穩(wěn)應(yīng)力時(shí)，將發(fā)生失穩(wěn)的焊接變形[1-2]。長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)箱體焊接變形后不僅影響外觀形狀、降低裝配質(zhì)量，引起干涉，且箱體結(jié)構(gòu)變形后無(wú)法通過(guò)機(jī)械矯正消除，只能通過(guò)打磨蓋板等來(lái)消除干涉，給生產(chǎn)帶來(lái)了極大的困擾和額外的返修工作量[3]。變形嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)無(wú)法使用，只能報(bào)廢，造成生產(chǎn)浪費(fèi)。因此，研究長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)箱體焊接變形控制方法顯得極為重要。

1 長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)箱體結(jié)構(gòu)介紹

本文主要研究泵車(chē)支腿上使用的長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)箱體焊接變形，其箱體主要是由4塊高強(qiáng)鋼板材拼焊組成，包含左腹板、右腹板、上蓋板及下蓋板，如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)箱體結(jié)構(gòu)示意圖

2 長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)箱體變形原因分析

2.1 來(lái)料精度

組成箱體結(jié)構(gòu)腹板是焊接組件，自身尺寸受對(duì)接焊影響，精度較差。左右腹板都是先單獨(dú)銑邊，再對(duì)接組焊而成，拼焊后發(fā)生變形，引起腹板直線度大于1 mm。將蓋板與腹板組成箱體時(shí)，腹板上拱部分將蓋板頂起，下凹部分使上、下蓋板與腹板的貼合間隙大于1 mm，這些間隙較大，難處理，焊后對(duì)收縮力抵抗較差，將引起箱體收縮變形。

上、下蓋板平面度差，會(huì)導(dǎo)致組箱后蓋板凹陷位置與腹板連接處出現(xiàn)間隙，間隙位置受焊后收縮力影響，容易使箱體發(fā)生變形（類(lèi)似于腹板直線度引起的變形）。

2.2 剛度及約束度

焊件剛度和約束度對(duì)焊接應(yīng)力和變形影響較大[4]，剛度越大，焊接變形越小，殘余應(yīng)力越大；剛度越小，焊接變形越大，殘余應(yīng)力越小。剛度是焊件本身具有的抵抗變形的能力，它與結(jié)構(gòu)件截面慣性矩和母材的屈服極限相關(guān)，構(gòu)建截面慣性矩越大，剛度越小；母材屈服極限越大，構(gòu)件的剛度越大，反之則剛度越小。因此長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)箱體所選用母材材質(zhì)強(qiáng)度越高，越有利于減少變形。

圖2 長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)箱體腹板直線度差導(dǎo)致變形

拘束度是指焊接構(gòu)件以外的外部物體對(duì)構(gòu)件的約束程度。拘束度越大焊接區(qū)域金屬無(wú)法自由熱膨脹，壓縮塑性變形小，焊接變形小。長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)箱體腹板與蓋板之間無(wú)其余結(jié)構(gòu)件約束，擺搭完成后轉(zhuǎn)入箱體外側(cè)4條主焊縫焊接工序，箱體外焊縫較長(zhǎng)，熱輸入大，焊后收縮無(wú)外力拘束，焊后變形較大。

2.3 熱輸入

焊接變形主要是因結(jié)構(gòu)件在焊接過(guò)程中受熱不均、冷卻收縮引起。閆俊霞等[5]結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)對(duì)焊接失穩(wěn)變形的原因進(jìn)行了較為細(xì)致的分析，研究表明熱輸入是焊接變形的主要影響因素。焊接線能量是熱輸入的直接體現(xiàn)，焊接線能量越大，說(shuō)明熱輸入量大，焊接變形增大。通過(guò)Tendon Force的概念[6]計(jì)算如公式F=200Q可知，單道焊接的縱向收縮力同焊接單位長(zhǎng)度的熱輸入線能量呈正比，即熱輸入越大，焊接變形的驅(qū)動(dòng)力越大。其中：F為縱向收縮力，N；Q為單位長(zhǎng)度熱輸入，即線能量，J/cm。

長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)箱體主焊縫傳統(tǒng)焊接方式為采用4 mm打底+4 mm填充+15 mm填充蓋面（如圖3），填充蓋面單道焊接線能量相當(dāng)大，焊接縱向收縮力F相當(dāng)大，變形大。通過(guò)對(duì)改善前焊接工藝生產(chǎn)的100件長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)箱體下蓋板翹起尺寸測(cè)量，發(fā)現(xiàn)超過(guò)50%產(chǎn)品下蓋板外端翹起尺寸在1.5 ～2.5 mm，最嚴(yán)重的達(dá)3.6 mm，無(wú)法滿足質(zhì)量要求。

圖3 現(xiàn)有焊接方式

2.4 焊接返工

厚板焊接，由于坡口及焊腳尺寸大，焊縫成型時(shí)更容易產(chǎn)生氣孔、咬邊、未焊滿、外觀成型不良等焊接缺陷，這些缺陷都需要先徹底清除，并修磨出焊道后，再補(bǔ)焊。返工焊接缺陷的二次熱輸入相當(dāng)大，并導(dǎo)致箱體局部受熱，冷卻時(shí)局部收縮嚴(yán)重，變形量大。大部分返修工作均不在產(chǎn)線內(nèi)工裝上進(jìn)行，工件返修時(shí)屬于自由狀態(tài)，并無(wú)外部約束力，因此返工對(duì)焊接變形影響非常大。

長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)在焊接時(shí)，出現(xiàn)頻次最高的是咬邊缺陷。主焊縫焊腳達(dá)12 mm，外焊縫為減少變位機(jī)翻轉(zhuǎn)次數(shù)，改善前焊接工藝是將長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)箱體平放，在平焊位置焊接，由于焊液自身重力作用，上端焊趾位置由于焊液填充不夠或不及時(shí)，容易產(chǎn)生溝槽，形成咬邊，也容易產(chǎn)生焊腳不對(duì)稱(chēng)等缺陷。因此減少焊縫咬邊產(chǎn)生，有利于減少焊接返工和控制箱體局部變形。

3 變形控制措施

3.1 控制來(lái)料尺寸

圖4 不同焊接位置焊接效果

對(duì)零件來(lái)料進(jìn)行控制，禁止變形大于1 mm零件流入焊接崗位，將變形大于1 mm零件校正符合要求后再轉(zhuǎn)入組箱工序。

腹板焊件由2塊腹板對(duì)接而成，且留有高度余量。將腹板加工工藝由先加工零件高度余量，再對(duì)接腹板改為先對(duì)接焊2塊腹板再整體進(jìn)行余量加工，控制腹板焊件直線度小于0.5 mm，減小上、下蓋板與腹板的貼合間隙，進(jìn)而減少焊后箱體收縮變形。

上、下蓋板先校平，確保平面度小于0.5 mm后再組箱，減少蓋板與腹板連接處間隙，減少箱體焊后收縮變形量。

3.2 焊接工藝支撐增加約束

焊前將工裝調(diào)整到位，不宜過(guò)擠，也不宜過(guò)松，應(yīng)確保工件放入焊接工裝后在未壓緊狀態(tài)下，零件與工裝定位銷(xiāo)、定位塊、壓緊塊之間的間隙小于0.5 mm，避免工裝自身與零件過(guò)定位的擠壓變形，同時(shí)給與工件外部約束。

針對(duì)箱體結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)直線焊縫形式，在現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上，在長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)箱體內(nèi)頭尾部焊接工藝撐固定，增加剛性固定約束，焊后24 h再割除，可減少箱體焊接過(guò)程中的扭曲變形及凹凸變形。

3.3 控制焊接熱輸入

焊接熱輸入是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件焊接變形的根本原因，控制焊接熱輸入的關(guān)鍵在于調(diào)整焊接線能量，即調(diào)整焊縫單位長(zhǎng)度上輸入的能量。焊接線能量計(jì)算公式[7]為:q=IU/v，其中：I為焊接電流，A；U為電壓，V；v為焊接速度，cm/s；q為線能量，J/cm。線能量反映了焊接電流、電弧電壓和焊接速度三大焊接關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)焊接熱循環(huán)的影響。本文設(shè)計(jì)多組試驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整電流、電壓、焊接速度來(lái)控制單道最大焊接線能量，控制焊接變形量。綜合考慮生產(chǎn)效率，采用3道焊接完成C11+12 mm角焊縫，試驗(yàn)參數(shù)及變形結(jié)果如表1和圖5所示。

表1 支腿箱體焊接試驗(yàn)

通過(guò)圖5可看出，第一組焊接方案為改善前焊接方式，單道焊接線能量最大，變形量達(dá)3.6 mm，優(yōu)化后，第七組焊接方案單道最大焊接線能量最小，變形量?jī)H為0.6 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)箱體焊接線能量/變形量關(guān)系

3.4 提升焊接質(zhì)量

通過(guò)焊前點(diǎn)檢焊接設(shè)備、焊槍、保護(hù)氣、焊絲等，清理焊道及附近30 mm范圍內(nèi)油污銹層，嚴(yán)格按照工藝要求焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，預(yù)防氣孔、咬邊、未焊滿等焊接缺陷產(chǎn)生。

焊縫在平焊或船型焊接位置進(jìn)行焊接，可提高焊縫成型的穩(wěn)定可靠性，提高焊縫外觀合格率，減少返工。

提升長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)箱體焊縫焊接尋位及跟蹤技術(shù)。機(jī)器人焊接要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的焊縫質(zhì)量，需要保證焊絲始終指向規(guī)定角度即略偏向底板1°～2°位置，在密集的電源間磁場(chǎng)干擾下，傳統(tǒng)的焊絲接觸尋位和電弧跟蹤，無(wú)法滿足穩(wěn)定焊接的精度要求，因此在機(jī)器人上集成激光跟蹤系統(tǒng)，并根據(jù)箱體焊縫結(jié)構(gòu)形式，調(diào)試獨(dú)有的焊接自動(dòng)補(bǔ)償參數(shù)以確保穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。

綜上，通過(guò)控制焊前處理、焊接位置及提升長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)箱體焊縫焊接尋位和跟蹤技術(shù)，可提升焊接質(zhì)量，減少返工，從而減少焊接變形。

4 結(jié)論

研究表明，通過(guò)改善和過(guò)程工藝控制，可大幅減少箱體焊接變形量，使焊接結(jié)構(gòu)滿足質(zhì)量要求。

1）通過(guò)控制來(lái)料尺寸誤差、腹板鈍邊尺寸，優(yōu)化腹板加工工藝，可減少零件組合間隙，減小變形；

2）通過(guò)焊接工裝及焊接剛性固定支撐，增加約束，可減少一部分變形；

3）通過(guò)合理安排焊道數(shù)，調(diào)整焊接電流、電壓、焊接速度來(lái)控制熱輸入，優(yōu)化熱輸入后，單道最大焊接線能量降低到改善前的43.4%，變形量可減少83%，并穩(wěn)定在1 mm以?xún)?nèi)，滿足質(zhì)量要求；

4）控制焊前處理、更改為船型位置焊接及提升長(zhǎng)箱形結(jié)構(gòu)箱體焊縫焊接尋位和跟蹤技術(shù)可提高焊接質(zhì)量，減少返工，進(jìn)而減少焊接變形。