軸箱類薄壁組件的焊接變形控制工藝研究

劉鵬亮 蔡堅 張鑫鑫 趙振云 原鵬

摘要：在產(chǎn)品設(shè)計和制作中，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，減少材料浪費量和制造成本，應(yīng)選擇合理的焊接方法。對于軸箱類薄壁組件的焊接處理，由于工藝限制可能出現(xiàn)變形問題，設(shè)計不合理也可能導(dǎo)致焊接變形，情況嚴重時會導(dǎo)致產(chǎn)品報廢，浪費資源，增加制作成本。軸箱類薄壁組件主要是鋼板材料，如何有效控制焊接質(zhì)量，規(guī)避焊接變形問題出現(xiàn)，加強焊接變形工藝控制是必然選擇。本文就軸箱類薄壁組件的焊接變形控制工藝著手分析，把握工藝特點，在了解焊接變形原因的情況下，提出合理化的工藝手段，以便提升焊接變形控制水平。

關(guān)鍵詞：焊接變形軸箱類薄壁組件焊接鋼板焊接方法

Study on the Welding Deformation Control Process of Shaft Box Thin-wall Assembly

LIUPengliangCAI JianZHANG Xinxin? ZHAOZhenyun? YUANPeng

（Qingdao CRRC SifangRollingStock CO.， Ltd.， Qingdao，Shandong Province， 266109 China）

Abstract： In the product design and production， in order to ensure the product quality， reduce the material waste and production cost， reasonable welding methods should be selected.In the welding treatment of shaft box thin-wall assembly， deformation problems may occur due to process restrictions， and unreasonable design may also lead to welding deformation. Under serious circumstances， it will lead to product scrap， waste of resources and increase the production cost.The thin-wall components of the shaft box are mainly steel plate materials. How to effectively control the welding quality， avoid the problem of welding deformation， and strengthen the control of welding deformation process is an inevitable choice.This paper analyzes the welding deformation control process of thin wall components of shaft box， grasps the process characteristics， understands the causes of welding deformation， and proposes the reasonable process means to improve the welding deformation control level.

Key Words： Welding deformation; Shaft box thin-wall assembly; Welded steel plate; Welding method

軸箱類薄壁組件多是鋼板材料，厚度在4mm以下，通過焊接形成的結(jié)構(gòu)件。但是軸箱類薄壁組件焊接過程中容易受到主客觀因素影響出現(xiàn)變形問題，影響到產(chǎn)品質(zhì)量，如果變形量較大，將會直接導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。由于工藝不合理或是設(shè)計方案不合理，后期人員操作不規(guī)范，均可能導(dǎo)致焊接變形問題出現(xiàn)。鑒于此，為了滿足工藝質(zhì)量需要，應(yīng)深層次剖析軸箱類薄壁組件焊接變形的原因，立足于實際情況來推動工藝優(yōu)化創(chuàng)新，選擇合理的焊接變形控制工藝貫徹落實到全過程，便于減少資源損耗，將焊接變形問題消滅在萌芽階段，對于提升結(jié)構(gòu)件加工質(zhì)量具有積極作用。綜合分析研究軸箱類薄壁組件的焊接變形控制工藝內(nèi)容，有助于提升對焊接變形的認知和重視，積累經(jīng)驗，推動配套工藝高水平發(fā)展。

1 軸箱類薄壁組件的焊接變形機理分析

軸箱類薄壁組件焊接環(huán)節(jié)，為了加工符合質(zhì)量要求的結(jié)構(gòu)件，需要通過熱源加熱令接頭材料熔化，冷卻結(jié)晶后形成焊縫。焊接過程中，無論是加熱還是冷卻過程，均是不均勻的，所以焊接后形成的應(yīng)力應(yīng)變場也存在很大的差異，材料加熱、冷卻處理中會受到大小不一的約束力作用，塑性變形后導(dǎo)致焊后結(jié)構(gòu)非協(xié)調(diào)應(yīng)變，所產(chǎn)生的變形和殘余應(yīng)力較大（見圖1）。

2 軸箱類薄壁組件的焊接變形原因分析

2.1焊接工藝和規(guī)范因素

對于鋼結(jié)構(gòu)件加工制作，多需要借助焊接方法予以處理，常見焊接方法有手工電弧焊、理弧自動焊以及氣體保護焊，不同焊接方法的焊接機理不同，所產(chǎn)生的熱量和變形量也是不同的。有別于手工焊，自動焊的加熱區(qū)域更加集中，受熱區(qū)較窄，可以有效減小焊接變形量，CO2氣體保護焊所使用的焊絲較細，電流密度大，因此可以集中加熱，最終的焊接變形量較小[1]。鋼結(jié)構(gòu)件焊接前要明確焊接工藝標準和規(guī)范，遵循相關(guān)指導(dǎo)書進行焊接處理，并且嚴格控制焊接環(huán)境溫度、濕度，在各項指標均符合要求的基礎(chǔ)上，來保證焊接質(zhì)量。

2.2焊接參數(shù)

焊接參數(shù)設(shè)計是否合理，一定程度上決定了后續(xù)的焊接質(zhì)量。焊接參數(shù)包括電弧電壓、焊接電流以及焊接速度，伴隨著焊接速度加快線能量逐步減小。在上述幾個參數(shù)中，當屬電弧電壓作用最為重要，保持低電壓和大電流的自動焊，可以將變形量控制在最低程度。同時，焊縫數(shù)量越多，斷面尺寸越大，相應(yīng)地會導(dǎo)致焊接變形隨之擴大。如果是不對稱焊接，焊接偏差越大，后期的焊接變形程度越大[2]。

2.3結(jié)構(gòu)剛度

剛性即焊接件的變形抵抗能力，變形長度同焊接界面形狀、尺寸以及焊接材質(zhì)等因素存在密切聯(lián)系，伴隨著結(jié)構(gòu)剛性增加，阻礙焊縫變形能力越強;焊接剛性越小，后期的焊接變形程度將會變得更大。只有在鋼結(jié)構(gòu)剛度小時，才可以實現(xiàn)焊縫對稱分布，保證步驟合理下減少線性縮短變形問題。如果焊縫分布不對稱，焊縫收縮和重心的距離可以令截面朝上彎曲，出現(xiàn)變形問題。焊接流程和工藝合理下，焊縫截面中心點和接頭截面中心點保持在相同方位，出現(xiàn)線性縮短。另外，斷續(xù)焊與連續(xù)焊有著不同的溫度場，焊接中產(chǎn)生的熱變形量存在顯著差異，一般情況下，連續(xù)焊相較于斷續(xù)焊所產(chǎn)生的變形量更大[3]。不同的材料膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)存在一定差異，最終的焊接變形程度也存在顯著差異。

2.4裝配焊接順序

焊接裝配順序與焊接變形之間聯(lián)系密切，由于焊接順序不同，焊接變形量大小不一，因此在焊接和裝配時候要確定合理的順序。盡可能采用對稱焊接，如果焊縫不對稱，可以優(yōu)先選擇焊縫少的一側(cè)進行焊接，焊縫多的構(gòu)件更要確定最佳的焊接順序，將焊接變形量降到最低，在多次焊接中相互抵消焊接變形量[4]。

3 軸箱類薄壁組件的焊接變形控制工藝

軸箱類薄壁組件的焊接變形大致可以劃分為局部變形和整體變形，前者是構(gòu)件焊接后局部區(qū)域存在變形問題，表現(xiàn)出波浪或是角變形等，后者則是焊接后構(gòu)件尺寸規(guī)格發(fā)生變化，有橫向收縮、縱向收縮，彎曲變形和扭曲等。

3.1選擇定位焊點焊工藝

軸箱類薄壁組件焊接過程中，為了有效控制焊接變形程度，應(yīng)契合實際情況合理化選擇定位焊點焊工藝，降低收縮應(yīng)力與焊接變形。由于焊接過程中受到周圍約束力作用較大，因此應(yīng)該在約束較大區(qū)域針對性焊接，約束較小的區(qū)域后焊接，按照這一順序可以令焊接位置自由收縮，將焊接結(jié)構(gòu)件變形程度降到最低[5]。

3.2焊接過程連續(xù)性

為了最大程度上規(guī)避隔板自由邊變形，需要工作人員在焊接前距離隔板自由邊50mm處增設(shè)臨時筋板，筋板規(guī)格為PL 10×80×1000，筋板與隔板點焊住，在焊接完隔板的三面角焊縫后去除。焊接兩條立角焊縫時，為減少熱輸入防止變形，可采用分段退焊法，每段長度為350mm，焊接方向為從里往外焊接。焊接箱體主焊縫時要特別注意溫度的控制，防止焊接缺陷的出現(xiàn)，焊前預(yù)熱溫度不小于165℃，層間溫度不大于250℃。提升焊接質(zhì)量，應(yīng)加強焊接全過程控制，增強焊接過程連續(xù)性。通過焊接結(jié)構(gòu)件針對性處理，避免中途受到其他因素印象導(dǎo)致焊接過程中斷。但焊接期間如果不得不中斷，則要及時、針對性地處理焊接結(jié)構(gòu)件，規(guī)避焊縫開裂問題的出現(xiàn)。如果需要二次焊接結(jié)構(gòu)件，保證表面潔凈、無缺陷，這樣才能按照原本的工藝繼續(xù)進行焊接處理[6]。

3.3焊接前預(yù)熱處理

軸箱類薄壁組件焊接處理要明確工藝要求，對焊接區(qū)域進行預(yù)熱處理，控制主縫與定位焊縫區(qū)域的溫度，保證焊縫溫度符合焊接工藝標準。定位焊縫預(yù)熱溫度較之主縫預(yù)熱溫度高出20℃～30℃，基于預(yù)熱方式來減少焊接過程中的熱應(yīng)力集中，可以選擇加熱板來預(yù)熱焊件，降低焊接變形的可能[7]。

在焊接前，為了規(guī)避焊接變形問題出現(xiàn)，可以選擇反變形方法進行處理。焊接前收集數(shù)據(jù)預(yù)測分析焊接狀態(tài)和變形可能性，依據(jù)預(yù)測結(jié)果來確定一個和結(jié)果相同的形狀，但方向相反，通過預(yù)留變形量抵消焊接后變形量，滿足設(shè)計標準。也可以選擇預(yù)防拉伸的方式，在薄板有預(yù)張力或是預(yù)先熱膨脹量下進行。采用預(yù)熱方法可以適當?shù)販p少溫度梯度，有效改善殘余應(yīng)力問題，如果溫度為200℃時，殘余應(yīng)力降低了15%左右，如果溫度控制在350℃，可以降低40%左右的殘余應(yīng)力。對于結(jié)構(gòu)件焊接，可以在焊接過程中使用夾具固定處理，同樣可以起到控制變形量的作用。更為關(guān)鍵的是，應(yīng)做好箱體的角焊縫FCAW焊接參數(shù)選擇選擇工作，為后續(xù)焊接質(zhì)量提供堅實保障（見表1）。

3.4選擇合理有效的焊接方法

軸箱類薄壁組件焊接中，關(guān)于焊接方法的選擇至關(guān)重要，這就需要充分了解不同的軸箱類薄壁組件焊接要求和技術(shù)標準，選擇合理有效的焊接方法。對于焊接方法的選擇，應(yīng)盡可能降低線能量，最大程度上縮減焊接區(qū)塑性壓縮區(qū)面積，并且在焊接全過程有效控制結(jié)構(gòu)件焊接變形問題。目前常見的控制焊接變形的方法主要有手工電弧焊、無極氫弧焊以及二氧化碳氣體保護焊等，在具體焊接中要依據(jù)實際情況，考慮到不同焊接方法的優(yōu)勢特點靈活選擇，滿足焊接需要的同時，最大程度上規(guī)避焊接變形問題的出現(xiàn)。通常情況下，為了將焊接變形量降到最低，多是通過減少線能量來實現(xiàn)。線能量減少，可以起到規(guī)避角變形與波浪變形問題出現(xiàn)的作用，避免焊接區(qū)域出現(xiàn)橫向收縮和角變形。另外是依據(jù)焊接要求來控制自由收縮，焊接后收縮力和結(jié)構(gòu)反變形力相互抵消，以此來規(guī)避變形問題的出現(xiàn)[8]。同時，焊接中有限縱向焊縫內(nèi)側(cè)焊接處理，在此基礎(chǔ)上質(zhì)量檢查合格后方可進行后續(xù)的拼裝。

另外，對于一些焊接已經(jīng)變形的結(jié)構(gòu)件，可以通過合理化運用先進技術(shù)進行矯正處理，有效地解決焊接殘余變形問題。結(jié)合反復(fù)實踐經(jīng)驗的積累總結(jié)，對于結(jié)構(gòu)件焊接產(chǎn)生的殘余變形，可以選擇火焰加熱矯正法以及機械加壓矯正變形法予以處理，消除效果較為理想。因此，焊接中很容易受到諸多因素影響出現(xiàn)變形問題，如果變形量并不大，可以選擇對應(yīng)手段消除即可，但如果變形量大，產(chǎn)品已經(jīng)達到報廢標準，則沒有焊接變形處理的必要。

4 結(jié)語

綜上所述，軸箱類薄壁組件焊接是一個重要工序，焊接過程中可能受到諸多因素影響出現(xiàn)變形問題，這就需要選擇合理的焊接工藝，有效控制焊接變形量。焊接變形通常是無法避免的，只要選擇合理有效的方法即可有效將變形量控制在合理范圍內(nèi)，在滿足軸箱類薄壁組件加工質(zhì)量需要的同時，使經(jīng)濟效益也符合目標要求。

參考文獻

[1]王亮.變厚度薄壁組件在飛機裝配中的失穩(wěn)分析[J].科學(xué)咨詢（科技·管理），2021（6）：66-67.

[2]高云喜，唐喜榮，侯彪正，等.圓盤類薄壁組件的焊接變形控制工藝研究[J].新技術(shù)新工藝，2021（4）：24-27.

[3]黃倩影.承壓筒體組件在制造過程中的防變形裝置的應(yīng)用與介紹[J].中國設(shè)備工程，2020（17）：88-89.

[4]葉衛(wèi)林，李磊，姜銀松，等.薄壁軸承件激光焊接成形控制研究[J].金屬加工（熱加工），2020（8）：50-54.

[5]余海東，來新民，林忠欽.航天大型薄壁結(jié)構(gòu)裝配制造尺寸精度預(yù)測與控制方法[J].上海航天（中英文），2020，37（3）：1-10.

[6]黃霞，胡立科，孫瑩，等.基于三維應(yīng)力映射法的貯箱裝配焊接數(shù)值模擬與變形分析[J].焊接技術(shù)，2019，48（10）：94-100.

[7]姜帆.超大薄壁結(jié)構(gòu)TIG焊接變形數(shù)值模擬分析及應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué)，2018.

[8]程時遂，楊華.超超臨界鍋爐膜式壁組件變形的分析與控制措施[J].低碳世界，2017（22）：87-88.