工程機(jī)械支腿結(jié)構(gòu)焊接菱形變形的控制與研究

周燕妮 李 輝

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院，江蘇 徐州 221000；2.徐工消防安全裝備有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 引言

焊接是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)之一，作為一種基本的加工方法，在工業(yè)生產(chǎn)制造中具有舉足輕重的地位[1]。但焊接局部受熱，焊后存在不同程度的殘余應(yīng)力及變形，焊接變形不僅會(huì)影響結(jié)構(gòu)的外觀，而且影響拼裝構(gòu)件的安裝精度，焊接后需要對(duì)變形進(jìn)行矯正，然而矯正過(guò)程會(huì)耗費(fèi)很大的人力、物力、財(cái)力。該文對(duì)不同工藝條件下的焊接變形和應(yīng)力進(jìn)行研究，可解決很多結(jié)構(gòu)中的焊接變形問(wèn)題[2]。該文主要通過(guò)優(yōu)化焊接工藝，控制工程機(jī)械箱型支腿結(jié)構(gòu)焊接菱形變形。

1 工件結(jié)構(gòu)及變形數(shù)據(jù)分析

1.1 試驗(yàn)構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式

工程機(jī)械工作時(shí)，為提高其穩(wěn)定性，須在車(chē)身周?chē)斐? 個(gè)支腿支撐地面，如圖1 所示。其支腿在車(chē)架內(nèi)伸縮，須控制其配合間隙，因此要嚴(yán)格控制支腿的外形尺寸。支腿工作時(shí)受力大、板厚，左右側(cè)板厚度均為8mm，上下蓋板厚度均為12mm，材質(zhì)為低合金高強(qiáng)鋼Q550，支腿設(shè)計(jì)為箱型焊接結(jié)構(gòu)。箱體支腿主要由上下蓋板和左右側(cè)板連接的4 條長(zhǎng)角焊縫以及四邊形各面上加強(qiáng)板的連接焊縫組成。

圖1 工程機(jī)械支腿圖

焊后箱體發(fā)生菱形變形，由均為直角的長(zhǎng)方形，變形為偏離直角的菱形。即長(zhǎng)方形橫截面發(fā)生了傾斜，由直角變形為鈍角或銳角，變形量約4mm，如圖2 所示。為控制支腿配合間隙，保證支腿裝配順利，須將傾斜的多余尺寸進(jìn)行機(jī)加工切削。若變形量大于機(jī)加工余量，還需先進(jìn)行壓力調(diào)形[3]，增加加工成本及生產(chǎn)節(jié)拍。

圖2 支腿焊接菱形變形圖

1.2 焊接變形數(shù)據(jù)分析

收集支腿整個(gè)焊接過(guò)程的變形數(shù)據(jù)，找出主要引起菱形變形的工序，進(jìn)行重點(diǎn)控制試驗(yàn)。箱型支腿的焊接分成2 遍焊接工序，一遍焊接支腿的箱體結(jié)構(gòu)，焊接上下蓋板和左右側(cè)板連接的4 條長(zhǎng)角焊縫。二遍在箱體的基礎(chǔ)上拼點(diǎn)焊接四邊形各面上加強(qiáng)板的連接焊縫。整體焊后變形數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 原工件焊后菱形變形量

由表1 可知，箱型支腿一遍焊接后菱形變形量約為3mm～4.5mm，二遍焊接后菱形變形量約為2.5mm～5mm。支腿的焊接菱形變形主要由一遍焊接引起，二遍對(duì)菱形變形影響約為0～0.5mm，可忽略不計(jì)。因此，主要在支腿一遍焊接工序上，研究其控制變形的方案。

2 試驗(yàn)方案

焊接是一種瞬時(shí)局部熱輸入的過(guò)程[4]，熱量高度集中。焊接生產(chǎn)過(guò)程中不均勻的受熱和冷卻，且受周邊區(qū)域的約束，在焊接后會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力及變形[5]。支腿的菱形變形主要由箱型的4 條長(zhǎng)角焊縫的焊接變形引起，焊縫尺寸相同，但在焊接過(guò)程中焊接順序會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度變化，先焊焊縫剛度約束最小，變形最大，后焊焊縫的剛性約束越來(lái)越大，變形逐漸減少，從而引起4 條長(zhǎng)角焊縫角變形大小不一，導(dǎo)致箱體焊接結(jié)構(gòu)菱形變形。研究人員可以調(diào)整焊接順序進(jìn)行試驗(yàn)，減小其焊接變形量[6]。

2.1 單邊V 型打底焊接順序優(yōu)化方案

打底焊焊接順序優(yōu)化實(shí)驗(yàn)主要調(diào)整4 條長(zhǎng)角焊縫的打底焊接順序，使左右兩邊打底焊焊縫角變形量相近或相同即可，使焊接菱形變形相互抵消。具體方案見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)化打底焊焊接順序試驗(yàn)方案

為減小焊接變形，方案一將長(zhǎng)打底焊縫采用分段退焊法焊接，如圖3 所示。方案二，則采用兩側(cè)打底焊縫進(jìn)行分段對(duì)稱(chēng)焊接，如圖4 所示。方案三，兩側(cè)打底焊縫使用交替分段對(duì)稱(chēng)焊接，即第一小段的焊接先后順序與第二小段的順序相反，第三小段的焊接先后順序又與第二小段的順序相反，依次類(lèi)推，如圖5 所示。

圖3 方案一打底焊順序圖

圖4 方案二打底焊順序圖

圖5 方案三打底焊順序圖

2.2 角焊縫蓋面焊接順序優(yōu)化方案

蓋面焊焊接順序優(yōu)化實(shí)驗(yàn)主要調(diào)整4 條長(zhǎng)角焊縫的蓋面焊接順序，組合出3 個(gè)蓋面焊焊接順序不相同的方案。具體方案見(jiàn)表3。

表3 優(yōu)化蓋面焊焊接順序試驗(yàn)方案

方案四依次從左到右蓋面焊接，上蓋板的連接蓋面焊縫，先焊左側(cè)再焊右側(cè)，同理，下蓋板的連接蓋面焊縫，也先焊左側(cè)再焊右側(cè)。方案五，則按順時(shí)針依次蓋面焊接。方案六，則采用對(duì)角對(duì)稱(chēng)蓋面焊接，先對(duì)稱(chēng)焊接一對(duì)對(duì)角焊縫，再對(duì)稱(chēng)焊接另一對(duì)對(duì)角焊縫。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 打底焊接順序優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1.1 打底焊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

優(yōu)化打底焊順序后，焊接完箱型支腿，測(cè)得其焊接菱形變形的數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。方案一先打底焊完一側(cè)再焊另一側(cè)，焊后菱形變形量0～4mm，變形較大。方案二對(duì)稱(chēng)打底焊，焊后菱形變形量0～2mm，變形較小。方案三交替對(duì)稱(chēng)打底焊，焊后菱形變形量0～0.5mm，變形最小，基本不變形。

表4 優(yōu)化打底焊順序試驗(yàn)后支腿菱形變形量

3.1.2 打底焊試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

方案一采用的是分段退焊法，先焊完①②③④，然后再焊⑤⑥⑦⑧。隨著焊縫①～焊縫⑧依次焊接，焊縫①～焊縫⑧焊接時(shí)的剛性依次增大，其焊接變形ε依次減小。即ε1>ε2>ε3>ε4>ε5>ε6>ε7>ε8，一側(cè)的焊接總變形為ε1+ε2+ε3+ε4，另一側(cè)焊接總變形為ε5+ε6+ε7+ε8，兩側(cè)總焊接變形量不可抵消，ε1+ε2+ε3+ε4>ε5+ε6+ε7+ε8，但分段退焊法存在一定焊前預(yù)熱效果[7]，焊縫①剛焊完，會(huì)產(chǎn)生較高的熱量，會(huì)對(duì)②處有一定的預(yù)熱保溫作用，這樣在焊縫②不會(huì)產(chǎn)生較大的變形，如圖6 所示，方案一焊接菱形變形量在2mm～3mm，其變形量比原生產(chǎn)方式接菱形變形量小約4mm。

圖6 方案一數(shù)據(jù)圖

方案二采用的是對(duì)稱(chēng)打底焊，隨著焊縫①～焊縫⑧依次焊接，其剛性依次增大，焊接變形ε依次減小。一側(cè)的焊接總變形為ε1+ε3+ε5+ε7，另一側(cè)焊接總變形為ε2+ε4+ε6+ε8，ε1+ε3+ε5+ε7>ε2+ε4+ε6+ε8，兩側(cè)總焊接角變形量仍然不可抵消，但角變形抵消量大于方案一，如圖7 所示，方案二焊接菱形變形量約1mm～2mm，其變形量小于方案一焊接菱形變形量約2mm～3mm。

圖7 方案二數(shù)據(jù)圖

方案三采用的也是對(duì)稱(chēng)焊接，但是順序有所改變，交替對(duì)稱(chēng)打底焊。一側(cè)的焊接總變形為ε1+ε5+ε6+ε7，另一側(cè)焊接總變形為ε2+ε3+ε4+ε8，ε1+ε3+ε5+ε7≈ε2+ε4+ε6+ε8，兩側(cè)總焊接角變形量基本抵消，如圖8 所示，方案二焊接菱形變形量為0～0.5mm，基本消除箱體的焊接菱形變形。

3.2 蓋面焊接順序優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.2.1 蓋面焊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

改變蓋面焊順序后，焊接完箱型支腿，測(cè)得其焊接菱形變形的數(shù)據(jù)如表5 所示。方案四依次從左到右蓋面焊接，焊后菱形變形量2mm～3.5mm，變形較大。方案五按順時(shí)針依次蓋面焊接，焊后菱形變形量3mm～4mm，變形大。方案六采用對(duì)角對(duì)稱(chēng)蓋面焊接，焊后菱形變形量3.5mm～5mm，變形最大。

表5 優(yōu)化蓋面焊順序試驗(yàn)后支腿菱形變形量

3.2.2 蓋面焊試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由表5 可知，改變蓋面焊焊接順序，箱型支腿菱形變形量為2mm～5mm，變形仍然很大，與原始方案焊接變形量3mm～4.5mm，基本相近，因此蓋面焊接順序?qū)附幼冃瘟坑绊戄^小。打底焊縫先焊接，打底焊縫雖然焊接量較小，但先焊接時(shí)，剛性最小，引起的焊接變形最大。打底焊縫焊接后，支腿的剛性大大增加，再焊接蓋面焊縫，即使蓋面焊縫焊接量較大，引起的焊接變形卻很小，因此蓋面焊縫對(duì)焊接變形影響很小。

4 結(jié)論

活動(dòng)支腿是工程機(jī)械的關(guān)鍵部件，承受著工程機(jī)械的重量與負(fù)載，因此需要控制活動(dòng)支腿的焊接焊接變形，提高其精度。該文結(jié)合消防車(chē)的活動(dòng)支腿的焊接問(wèn)題，進(jìn)行了探討和分析。得到以下結(jié)論：1）活動(dòng)支腿在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的菱形變形，實(shí)際上是角變形引起的，角變形引起角度變化不均勻，最終導(dǎo)致菱形變形產(chǎn)生。2）分段打底退焊具有焊前預(yù)熱作用，可一定程度上降低焊接變形，減小箱型結(jié)構(gòu)的焊接菱形變形。3）分段對(duì)稱(chēng)打底焊接，基本不降低焊接角變形量，但可增大兩側(cè)角焊縫角變形均勻程度，一定程度上減少箱型結(jié)構(gòu)的菱形變形。4）交替對(duì)稱(chēng)打底焊接，在不降低焊接角變形量的情況下，最大程度地使箱型左右兩側(cè)角焊縫的角變形量相同，使不同方向的菱形變形相互抵消，達(dá)到控制箱型結(jié)構(gòu)焊接產(chǎn)生的菱形變形，提高箱型支腿的制造精度的目的。5）蓋面焊最后焊接，剛性增大，焊接變形減小，基本不影響焊接菱形變形量。