卡車車架縱梁的焊接變形控制

同濟(jì)大學(xué) （上海 200092） 關(guān)巨程

一汽解放汽車有限公司 （吉林長春 130011） 聞興旺

1.概述

焊接變形是焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制造中不可避免的工藝問題，不但會(huì)造成焊接結(jié)構(gòu)件在焊接后形狀和尺寸的改變，影響結(jié)構(gòu)尺寸的準(zhǔn)確性，還會(huì)造成焊件在裝配過程中與其他誤差發(fā)生耦合、積累和傳播，形成焊接制造的綜合偏差。同時(shí)，也會(huì)降低焊接結(jié)構(gòu)的承載能力和使用壽命，引起事故。因此，減小焊件的焊接變形是制定焊接工藝主要內(nèi)容之一。

卡車車架是載重汽車的主要承載構(gòu)件，發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等主要零部件都通過裝配孔與車架連接。縱梁是構(gòu)成卡車車架的主要部件，目前國內(nèi)輕型車車架縱梁采用焊接方式生產(chǎn)已得到較廣泛的應(yīng)用，而在載重車車架的內(nèi)外縱梁采用焊接的方式合成還是一種較新的工藝方法。車架縱梁焊接引起的變形會(huì)導(dǎo)致車架側(cè)彎的發(fā)生，嚴(yán)重的車架側(cè)彎會(huì)影響到汽車的行駛安全。因此，控制車架縱梁的焊接變形具有非常重要的意義。

2.車架縱梁的焊接變形分析

（1）縱梁結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求 某型車架縱梁采用數(shù)控打孔、沖壓成形工藝，由左、右兩個(gè)內(nèi)外板焊接成狹長的薄板箱型梁結(jié)構(gòu)，內(nèi)板和外板之間用支撐限位板定型，圖1為卡車車架縱梁簡圖。

圖1 卡車車架縱梁簡圖

卡車車架在裝配時(shí)，要求縱梁總成保持的精度：

第一，縱梁總成后關(guān)鍵尺寸公差要求：縱梁長度以及翼面高度等尺寸公差均為2mm。

第二，縱梁總成后允許變形量：變形量應(yīng)控制在3mm之內(nèi)，縱梁前左、前右或后左、后右應(yīng)為同向偏差且≤1/1000（或同為上翹或下翹）。

第三，縱梁總成后幾何公差要求：內(nèi)外縱梁焊接后的總成，其對(duì)應(yīng)孔同軸度公差為φ0.8mm；縱梁腹面直線度為0.5/500，7.285m長范圍內(nèi)平面度偏差≤3mm。

第四，接頭形式及焊縫質(zhì)量要求：接頭形式主要為搭接接頭，焊縫與母材應(yīng)圓滑過渡，焊縫及熱影響區(qū)表面不得有裂紋、未熔合、氣孔、夾渣及深度＞0.3mm的咬邊等缺陷。

按工藝設(shè)計(jì)要求，車架縱梁總成的兩條直線焊縫總長達(dá)到2m×7.285m，由于焊縫長，發(fā)熱量大，焊接變形很難控制，導(dǎo)致車架縱梁焊接后總成精度不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此需要通過采用多種措施來減少焊接的變形量。

（2）縱梁焊接變形原因 車架縱梁產(chǎn)生變形主要有側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)，其產(chǎn)生變形的原因主要有：

第一，縱梁焊接后的側(cè)彎變形：主要是由彈性變形和焊接順序不當(dāng)引起的焊接變形。車架縱梁是在夾具剛性固定下焊接的，焊接過程中不會(huì)產(chǎn)生明顯的焊接變形。但焊接發(fā)生塑性變形時(shí)，往往還有部分彈性變形存在。在剛性固定狀態(tài)下施焊時(shí)，則彈性變形儲(chǔ)存于結(jié)構(gòu)中，當(dāng)焊接后卸下工件或冷卻恢復(fù)到均勻狀態(tài)時(shí)，存在于結(jié)構(gòu)中的彈性變形就釋放出來，引起了焊接變形，使焊接結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸發(fā)生變化。

其原因分析如下：

一是焊接順序不當(dāng)或焊接參數(shù)偏大引起的焊接變形。在焊接過程中，不同的焊接順序引起的焊接變形差別較大。如果在車架縱梁縱縫焊接過程中，采用從一端連續(xù)焊接到另一端的直通焊施焊法，那焊接變形就要比分段跳焊產(chǎn)生的焊接變形大得多。

二是裝配間隙過大引起的變形。汽車車架焊接時(shí)，零件之間的間隙過大致使焊縫金屬量增加，將會(huì)引起較大的焊接變形。

第二，縱梁焊接后的扭轉(zhuǎn)變形。對(duì)于車架縱梁來說，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形的主要原因是裝配不良、夾緊的橫向受力不均衡和施焊程序不合理，致使焊縫縱向收縮和橫向收縮沒有一定規(guī)律造成的。對(duì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形的部位要調(diào)整對(duì)應(yīng)夾緊板的位置，主要是通過固定裝夾一側(cè)加減墊片的方法進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于扭轉(zhuǎn)變形的縱梁，很難用機(jī)械的方法進(jìn)行校正。

3.減小縱梁焊接變形工藝措施

卡車車架縱梁生產(chǎn)主要采用設(shè)計(jì)專用焊接夾具、預(yù)置反變形量、合理選擇焊接順序和選用脈沖焊接方式等工藝措施來減小焊接應(yīng)力和控制焊接變形。

（1）專用焊接夾具設(shè)計(jì) 車架縱梁焊接夾具的設(shè)計(jì)目標(biāo)是開發(fā)出一種模塊化可調(diào)整焊裝夾具，是利用外加剛性約束方法來減小縱梁的焊接變形。

縱梁焊接專用夾具設(shè)計(jì)制造要求如下：

第一，焊接夾具采用模塊化可重構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造：模塊化結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)不同長度的縱梁需要；模塊分別加工，在現(xiàn)場進(jìn)行組裝調(diào)整，組裝完成后夾具整體平面度誤差≤2/1000mm。

第二，夾具定位和夾緊機(jī)構(gòu)采用柔性結(jié)構(gòu)，可通過機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整；定位機(jī)構(gòu)采用可拆卸模塊方式以適應(yīng)縱梁的定位，并具有三維可調(diào)整功能，以滿足不同車型縱梁的定位合成與焊接。

第三，焊接夾具有完備的反變形機(jī)構(gòu)和功能，反變形機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)行精確調(diào)整，調(diào)整量可直接讀數(shù)或間接獲取，反變形量可自由調(diào)整；具有控制縱梁開口寬度功能，當(dāng)縱梁開口偏大時(shí)可以進(jìn)行校正，以保證焊縫均勻。

第四，縱梁腹面采用多點(diǎn)支撐與壓緊控制：縱梁整體焊接后變形量是由縱梁的各個(gè)小區(qū)段變形量疊加積累形成的。在每個(gè)小區(qū)段上都設(shè)置能夠使車架縱梁在該區(qū)段上反變形的機(jī)構(gòu)，就可以控制車架縱梁整體焊接后的變形量，縱梁腹面小區(qū)段支撐點(diǎn)和壓緊點(diǎn)越多對(duì)控制變形越有利。

第五，縱梁兩翼面要全接觸面壓緊控制：對(duì)縱梁兩翼面全接觸面壓緊控制可以起到如下作用：①消除車架內(nèi)外縱梁間的裝配間隙，節(jié)省焊接時(shí)間，減少不必要的焊接熱量輸入。②輸入縱梁的一部分焊接熱量可以很快導(dǎo)入夾具的夾緊塊，加快縱梁制件散熱。③可以矯正控制車架縱梁在Z方向上的焊接變形。

第六，保證夾具各組成結(jié)構(gòu)具有足夠的剛性和可調(diào)整性：由于載重卡車車架縱梁的板厚一般在6mm以上，其橫斷面尺寸在245mm×80mm左右，需要施加很大的矯形力才能產(chǎn)生反變形，因此夾具本體及各個(gè)矯形機(jī)構(gòu)都要有很大的強(qiáng)度和剛性。另外，引起縱梁焊接變形的因素很多，也很難預(yù)先計(jì)算出焊接后的變形量，需要在生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行多次試驗(yàn)調(diào)整，找出合理數(shù)據(jù)。因此，夾具各種機(jī)構(gòu)要有靈活的可調(diào)整性。

縱梁焊接專用夾具主要由夾緊機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)和夾具基礎(chǔ)板組成，如圖2所示。

圖2 縱梁焊接專用夾具

夾緊機(jī)構(gòu)主要有支撐件、中間過渡件調(diào)整件、連接件、夾緊件組成；定位機(jī)構(gòu)主要由定位件、水平與垂直調(diào)整件、連接板組成；夾具基礎(chǔ)板主要有水平和垂直調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)板等。

（2）預(yù)置反變形量 車架縱梁專用夾具是利用反變形原理實(shí)現(xiàn)減小縱梁焊接變形的目的?？v梁焊接反變形是在焊接前，估算出縱梁變形的大小和方向，預(yù)置人為的變形，其方向與焊接引起的變形相反，則焊后縱梁的變形與預(yù)置的變形可相互抵消，達(dá)到減小縱梁焊接變形的目的。預(yù)置反變形量位置如圖3所示。圖4為部分定位、夾緊點(diǎn)的設(shè)置。

圖3 縱梁上預(yù)置反變形量位置

圖4 定位、加緊點(diǎn)設(shè)置

（3）焊接順序 焊接順序?qū)附咏Y(jié)構(gòu)的變形也有很大影響。為便于控制焊接變形，盡量采用對(duì)稱焊接，以使焊縫引起的變形相互抵消。焊縫不對(duì)稱的，先焊焊縫少的一側(cè)，因?yàn)楹缚p越長，變形越大，先焊焊縫少的一側(cè)，可以增大焊縫多的一側(cè)焊件的結(jié)構(gòu)剛度和反變形能力。

第一，焊接順序的選擇：按照縱梁生產(chǎn)工藝要求，焊接分為點(diǎn)固焊、分段跳焊等工序。首先為點(diǎn)固焊，焊點(diǎn)尺寸10～20mm，間隔500mm，主要作用是完成內(nèi)外板的定位；其次為分段跳焊，焊縫長150mm，間隔150mm；最后對(duì)余下的間隔部分施焊，形成縱梁完整的焊縫。以上各工序中均由兩名操作工在縱梁兩側(cè)，從兩端開始相向?qū)ΨQ施焊，如圖5所示。

圖5 縱梁焊接順序

除圖5中所表示的焊接順序之外，還可以采用由中間向兩側(cè)均勻焊接等方式。

第二，焊接方法及設(shè)備的選擇：選擇熱輸入量較小的CO2氣體保護(hù)焊，采用人工焊接。選擇脈沖焊機(jī)，由于采用有效的峰值電流來熔化金屬，可以有效地減少焊接熱輸入量，同時(shí)減少了焊接變形。具體焊接參數(shù)為：焊接電流200A，電弧電壓25V，焊接速度8mm/s。

使用同一套夾具，采用相同的從兩端分別對(duì)稱向中間施焊的焊接順序，不同的工藝參數(shù)下縱梁焊接變形的差別很大。方案一采用φ1.0mm的焊絲，焊接電流150A，斷續(xù)焊長度100mm；方案二用φ1.2mm的焊絲，焊接電流240A，斷續(xù)焊長度200mm，從測量結(jié)果上可知方案二的變形量是方案一變形量的兩倍。

4.結(jié)語

車架縱梁焊接變形是生產(chǎn)制造過程中不可避免的問題，只有采取合理的焊接工藝措施來控制焊接變形，才能達(dá)到車架縱梁的制造精度及使用性能的要求。

車架縱梁焊接變形可以依靠增加剛性約束、預(yù)置反變形量和選擇合理的焊接順序等工藝措施進(jìn)行有效控制。實(shí)際生產(chǎn)中，只有對(duì)焊接進(jìn)行全過程控制，才能更有效控制車架縱梁的焊接變形，達(dá)到保證車架縱梁的尺寸精度和裝配要求的目的。（20131120）