圓盤類薄壁組件的焊接變形控制工藝研究

高云喜，唐喜榮，侯彪正，譚小艦，李增勛，許阿雷，趙立平，賀 敏

(中國兵器內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014033)

圓盤組件由厚度為6 mm的30CrMnSiA材料組焊而成，因其形狀比較復雜，在未采用裝焊工裝和有效的焊接工藝措施情況下進行了自由狀態(tài)的焊接，導致焊接完成后發(fā)生了嚴重的焊接變形，變形量離平臺表面距離高達25 mm以上，造成先期2件座盤直接報廢，后經(jīng)過自制夾具雖然變形量得到一定程度的控制，但仍超出了設計技術要求，為了確保后續(xù)生產(chǎn)和類似結構件的焊接順利進行，積極開展圓盤薄壁組件在焊接前、焊接過程中以及焊接后變形控制技術研究，及時解決制造過程中的工藝技術瓶頸，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 圓盤薄壁組件裝焊工裝的設計與制造

根據(jù)圓盤薄壁組件結構[1](見圖1和圖2)，以輪轂組件內(nèi)孔為基準定位，定位環(huán)用螺釘與銷子固定在本體上，中心與本體中心重合；座板的定位是靠內(nèi)孔與輪轂組件中的輪轂板外圓配合定心，下平面落在夾具本體墊板上，與輪轂組件底面齊平。由于座板錐面大，底平面小，穩(wěn)定性差，因此在錐面下設置16個可調支撐。支撐采用斜鐵，并帶有滑道，保證了斜鐵角度與錐面相吻合；為了保證加強筋與座板上8個孔的相對位置，利用限位板與加強筋配合，再通過插銷與座板上8個孔定位保證相對位置。

輪轂組件采用三點式專用壓板，零件受力均勻，夾緊可靠。座板的夾緊是根據(jù)16個調整支撐墊位置，設置相應壓板，壓板帶有墊塊，墊塊與零件接觸面為斜面與零件互補，壓板兩點支撐，壓緊穩(wěn)定可靠。為了裝夾迅速，壓板都配有快換墊圈，可達到快速裝夾。

圖1 圓盤薄壁組件結構示意圖

圖2 輪轂組件結構示意圖

組件定位裝夾后，可在夾具上進行焊接，為了保證每個焊道都能施焊，在工裝本體底板上開設4個腰型槽，保證座板與輪轂組件間焊道的施焊。具體設計圖樣模擬如圖3a所示，實物圖如圖3b所示。

a)設計圖

2 圓盤薄壁組件樣件的焊接

2.1 焊接前對樣件裝配的技術要求

圓盤薄壁組件由輪轂組件、座板、支撐板和加強筋組成，其零件材料均為30CrMnSiA[2]。因零件經(jīng)過了調質處理，所以裝配零件前，在裝配預焊時，一定要檢查零件的外形尺寸，原則上應在滿足圖樣設計要求后才能進行裝焊。但因目前控制薄壁零件熱處理手段落后，往往不能滿足設計要求，需要在裝焊過程中進行控制，一般在裝焊前，允許零件的變形量最大不超過圖樣規(guī)定的4 mm，否則應退回上道工序重新進行矯正處理；滿足技術要求后的零件在裝配前，應清理焊接部位及周圍20 mm范圍內(nèi)的氧化物，可采用手動砂輪機進行打磨清理，保證焊接部位露出金屬光澤；在平臺上利用裝焊夾具進行裝焊時，一定要露出所有組件的焊接部位，保證焊槍的可達性，裝焊好后進行裝配尺寸的檢測，符合圖樣要求后方可進行焊接；裝焊應在環(huán)境溫度≥10 ℃、濕度≤60%的室溫條件下進行，且無穿堂風。

2.2 樣件裝焊順序的確定

依據(jù)裝焊工裝設計原理，結合圓盤組件結構，其裝焊順序確定如下。

1)輪轂組件的裝焊順序(見圖2)：先把輪轂套筒按圖示插入到帶止口的輪轂板中，找正到位后進行預焊，再將輪轂頂板插入到輪轂套筒中，對齊上平面，找正到位后進行預焊。在焊接時，用壓板先把輪轂板壓緊到裝配平臺上，并連續(xù)完成輪轂板與輪轂套筒一周焊縫的填充焊接；在輪轂板與輪轂頂板之間一周均勻分布6處拉筋，點固焊后再完成輪轂頂板與輪轂套筒一周焊縫的填充焊接。焊接完成后帶拉筋一起進行350 ℃回火，去掉拉筋轉機械加工。

2)樣件的裝焊順序：在樣件裝焊工裝上先把座板與輪轂組件進行裝配，通過可調式斜鐵上下調整，保證座板內(nèi)孔與輪轂組件內(nèi)孔同心，底面與焊接夾具底面緊密貼合，找正后用螺栓壓緊，并修磨座板焊接部位，使其接縫最小，然后倒坡口進行預焊；其次，按圖示位置把加強筋分別與座板、輪轂組件進行裝配，利用定位板實現(xiàn)加強筋均布放置，對齊兩端面，保證垂直后進行預焊；把加強筋與輪轂組件、座板以及座板的焊縫采用小規(guī)范、分段焊接完成后，最后裝配支撐板。裝配支撐板時，8個槽順利嵌入到加強筋中，并與輪轂組件內(nèi)孔斷面齊平，找正到位后進行預焊，并采用小規(guī)范、分段交叉方法完成焊縫的焊接。裝焊過程如圖4所示。

圖4 裝焊過程圖

2.3 樣件的焊接[3]

1)焊接方法：采用熔化極CO2氣體保護焊，直流反接。

2)焊接材料：低合金高強鋼焊絲，牌號為PK-YJ707A，直徑為1.6 mm。

3)保護氣體：CO2氣體，純度≥99.3%。

4)焊接環(huán)境要求：焊接在室溫下進行，環(huán)境溫度≥10 ℃，濕度≤60%，無穿堂風。

5)焊接前，所有焊接部位及周圍20 mm范圍內(nèi)進行油污、氧化物的清理，直至露出金屬光澤。

6)焊接工藝參數(shù)見表1。樣件在焊接中的圖片如圖5所示。

表1 圓盤組件焊接工藝參數(shù)

圖5 樣件在焊接中的圖片

3 圓盤組件樣件的焊后熱處理

為了防止圓盤組件因強行裝配產(chǎn)生較大的焊接內(nèi)應力引起焊接變形，應進行焊后去應力熱處理[4]。在裝焊工裝上把焊接完成的圓盤組件連同工裝一起進行整體回火，其回火溫度控制在350 ℃±10 ℃，保溫時間為4 h?；鼗饻囟瓤赏ㄟ^溫度表顯示進行控制，當達到回火溫度后，通過時間表來檢查回火時間，等回火時間達到規(guī)定時間后立即斷電或關閉燃氣，確保樣件隨爐逐漸緩冷。熱處理后拆卸掉工裝后的樣件如圖6所示。

圖6 熱處理后拆卸掉工裝后的樣件

4 圓盤組件樣件熱處理后主要外觀尺寸的檢測

熱處理完成后的樣件放置在檢驗平臺上進行檢測，圓盤組件底面與平臺表面距離可用高低尺和塞尺混合使用進行檢測。樣件的檢測示意圖如圖7所示。

a)樣件實物

在焊接完成的樣件上選取11個點進行實際測量(見圖7b)，其具體測量結果見表2。

表2 圓盤組件底面與平臺表面距離測量結果表 (mm)

(續(xù)表)

5 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)采用的裝焊工裝設計合理，有些裝夾方法采用了先進的設計理念，并用快換墊圈進行裝配，有效提高了裝配效率和質量；裝焊工裝可操作性強，可把裝配精度比較低的零件通過工裝的適當調節(jié)達到圖樣設計要求。

2)采用的小規(guī)范、分段交叉焊接、整體回火等工藝措施正確有效，對后續(xù)薄壁零部件的焊接變形控制具有指導作用。

3)焊接熱處理后對樣件進行檢測，圓盤底平面變形量控制在0～3 mm以內(nèi)，完全符合圖樣設計要求，樣件交驗合格率為100%。