叉車門架焊接變形控制

江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院泰州分院 / 宋志偉 孔佶磊 張偉剛 王澤華

叉車門架焊接變形控制

江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院泰州分院 / 宋志偉 孔佶磊 張偉剛 王澤華

叉車門架焊接變形常常影響叉車的正常使用，本文通過模擬叉車門架的焊接變形，得出其變形趨勢和大小，結(jié)合剛性固定的焊接夾具來控制叉車門架的焊接變形，使得叉車在使用過程中門架變形的概率大大減小。

門架、焊接變形、數(shù)值模擬

叉車是物料搬運作業(yè)的重要設(shè)備，是實現(xiàn)物流機械化作業(yè)、減輕工人搬運勞動強度、提高作業(yè)效率的主要工具。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，叉車的產(chǎn)量實現(xiàn)了快速增長。叉車的焊接結(jié)構(gòu)件在整個叉車重量中占到40%左右，傳統(tǒng)的門架制作工藝是先焊接后矯正，矯正后的門架存在殘余應力，在叉車的正常使用過程中由于殘余應力的釋放，不僅會使門架產(chǎn)生變形，而且降低了門架的實際承載能力，甚至發(fā)生門架斷裂事故。因此，叉車門架焊接變形一直是叉車生產(chǎn)企業(yè)高度關(guān)注的問題。

一、焊接變形的原因及控制

焊接就是通過一定的物理或化學措施，通過加熱或加壓，或者熱壓并施，把兩個分離的固態(tài)金屬或非金屬，或金屬與非金屬連接成一個整體，使其達到原子間結(jié)合的一種熱加工方法，焊接的本質(zhì)就是使兩個分離的金屬構(gòu)件連接在一起。

在焊接中，焊縫受熱會沿著母材的長度、寬度、厚度方向形成溫度分布，由于焊縫區(qū)溫度較高，先發(fā)生彈性形變，超過彈性變形范圍就會發(fā)生塑性形變，而鄰近的區(qū)域溫度相對較低，會發(fā)生彈性形變，整個過程一直發(fā)生著熱應變。

焊接變形的主要形式有收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形和扭曲變形等。焊接過程中，對焊件進行不均勻加熱和冷卻，是產(chǎn)生焊接應力和變形的根本原因；而焊縫金屬冷卻時，當它由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時，其體積要收縮。由于焊縫金屬與母材是緊密聯(lián)系的，因此焊縫金屬并不能自由收縮，這將引起整個焊件的變形，同時在焊縫中引起殘余應力。

焊接變形的控制方式主要有：

（1）預留收縮變形量，根據(jù)理論計算和實踐經(jīng)驗，在焊件備料及加工時預先考慮收縮余量，以便焊后工件達到所要求的形狀、尺寸。

（2）反變形法，根據(jù)理論計算和實踐經(jīng)驗，預先估計結(jié)構(gòu)焊接變形的方向和大小，然后在焊接裝配時給予一個方向相反、大小相等的預置變形，以抵消焊后產(chǎn)生的變形。

（3）剛性固定法，焊接時將焊件加以剛性固定，焊后待焊件冷卻到室溫后再去掉剛性固定，可有效防止角變形和波浪變形。此方法會增大焊接應力，只適用于塑性較好的低碳鋼結(jié)構(gòu)。

（4）合理的焊接順序，盡量使焊縫自由收縮。焊接焊縫較多的結(jié)構(gòu)件時，應先焊錯開的短焊縫，再焊直通長焊縫，以防在焊縫交接處產(chǎn)生裂紋。如果焊縫較長，可用逐步退焊法和跳焊法，使溫度分布較均勻，從而減少了焊接應力和變形，合理地配和焊接順序。

（5）錘擊焊縫法。在焊縫的冷卻過程中，用圓頭小錘均勻迅速地錘擊焊縫，使金屬產(chǎn)生塑性延伸變形，抵消一部分焊接收縮變形，從而減小焊接應力和變形。

（6）加熱“減應區(qū)”法。焊接前，在焊接部位附近區(qū)域(稱為“減應區(qū)”)進行加熱使之伸長，焊后冷卻時，加熱區(qū)與焊縫一起收縮，可有效減小焊接應力和變形。

（7）焊前預熱和焊后緩冷。預熱的目的是減少焊縫區(qū)與焊件其他部分的溫差，降低焊縫區(qū)的冷卻速度，使焊件能較均勻地冷卻下來，從而減少焊接應力與變形。

（8）合理的焊接工藝方法。采用焊接熱源比較集中的焊接方法進行焊接可降低焊接變形。

>> 圖1 叉車外門架模型

二、門架焊接變形的數(shù)值模擬

由于叉車門架幾何模型復雜焊縫較多，因此采用Solid Works構(gòu)建叉車內(nèi)外門架有限元模型，導入ANSYS Workbench軟件中進行網(wǎng)格劃分等前置處理，最后提交到ANSYS解算。叉車外、內(nèi)門架模型，如圖1、2。

模擬內(nèi)門架焊時，實際的焊接情況是首先將工件進行點焊，然后進行裝夾焊接。在數(shù)值模擬計算過程中，約束模擬采用SPRING單元，施加足以約束剛體運動的若干彈簧，在這里彈簧的剛度足夠小，并不對變形體的變形產(chǎn)生太大的影響。在有限元計算中加載位移邊界條件，是為了防止計算中出現(xiàn)的剛性位移而導致的整體剛度矩陣奇異或非正定，且所加的約束條件又不能阻礙在焊接過程中應力的自由釋放以及焊件的自由變形。

從數(shù)值模擬計算分析的結(jié)果可以看出，叉車內(nèi)門架在焊接過程中上橫梁處寬度方向的變形較小，中間變形較大，從而使得滑道間距離增大；下橫梁處變形很大，滑道之間的距離較小。叉車外門架在焊接過程中上橫梁和中橫梁處出現(xiàn)內(nèi)凹，滑道寬度方向減小，上橫梁和中橫梁之間出現(xiàn)了外凸，下橫梁也輕微的有外凸現(xiàn)象。結(jié)合內(nèi)門架的焊接數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，在裝配過程中外門架的上橫梁和內(nèi)門架處于上橫梁和下橫梁之間的部分殘余變形較大，會出現(xiàn)夾死現(xiàn)象，與叉車門架生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題想符合。這一模擬結(jié)果與焊接后門架檢測結(jié)果高度吻合，從變形趨勢上符合門架焊接實際工藝。內(nèi)、外門架寬度方向變形，如圖3、圖4。

>> 圖2 叉車內(nèi)門架模型

三、門架焊接變形控制

上文提到的焊接變形控制方法多種多樣，這里采用剛性固定法，在叉車門架的焊接過程中采用外力將構(gòu)件緊壓在具有足夠剛度的夾具和平臺上，使它產(chǎn)生一個反變形，然后進行焊接。該方法不僅僅控制了焊接中的變形，并減少了焊接后的殘余應力。但在實際的過程中，反變性量的大小和施加點的確定往往是憑借生產(chǎn)中的經(jīng)驗和多次反復的嘗試來得出的，不僅要投入大量的人力，更不利于企業(yè)產(chǎn)品的改型。因此，結(jié)合上面的數(shù)值模擬計算，不僅僅能夠預測叉車門架焊接變形的趨勢，還能夠預測叉車門架焊接變形的大小。

本文結(jié)合叉車門架本身的結(jié)構(gòu)特點、生產(chǎn)中的工藝以及使用的要求，采用反變形法，即事先通過數(shù)值模擬預估好結(jié)構(gòu)變形的大小和方向，在進行裝配時，先將焊件向與焊接變形相反的方向進行人為的變形，以達到焊后與焊接變形相抵消的目的。企業(yè)在產(chǎn)品升級改型時，可以利用現(xiàn)有的三維建模軟件建模、處理，再進行焊接變形的數(shù)值模擬計算，得出焊接變形的大小和趨勢，再根據(jù)數(shù)值模擬預測結(jié)果制定相關(guān)的工藝，通過調(diào)整夾具來控制門架的變形量及變形方向。

>> 圖3 內(nèi)門架寬度方向變形

>> 圖4 外門架寬度方向變形

四、結(jié)論

本文通過對叉車內(nèi)門架和外門架的焊接變形的數(shù)值模擬計算，得出了焊接變形的大小和趨勢，并通對現(xiàn)場的焊接變形測試，驗證了數(shù)值模擬計算在叉車門架焊接變形預測中的可行性，從而為叉車門架的焊接變形的大小和趨勢的預測提供了可靠的依據(jù)，縮短了制定叉車門架焊接工藝的周期，大大減少了生產(chǎn)中矯正焊接變形等工藝，減少了焊接殘余應力，使得產(chǎn)品在使用過程中發(fā)生變形的幾率大大減小。