一種框架結(jié)構(gòu)件焊接變形質(zhì)量控制

江 梁 涂彬彬

(中車常州車輛有限公司 江蘇 常州 213011)

0 前言

焊接過程中被焊工件受到不均勻溫度場的作用而產(chǎn)生的形狀、 尺寸變化稱為焊接變形。 隨溫度變化而變化的稱為焊接瞬時(shí)變形； 被焊工件完全冷卻到初始溫度時(shí)的改變， 稱為焊接殘余變形[1]。 在本文中提及的工字型梁和箱型梁以其優(yōu)越的力學(xué)斷面結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于工程器械中， 但此類焊接結(jié)構(gòu)件也是最易產(chǎn)生焊接變形的， 本文就以此種框架式結(jié)構(gòu)件焊接為例， 分析產(chǎn)生焊接變形的原因和改善、控制方法。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為框架式鋼結(jié)構(gòu)件，主體主要由箱型底座、工字型梁組焊件、彎梁組成。

1—底座組成工藝件1；2—底座組成工藝件2；3—側(cè)梁組成； 4—右彎梁；5—左彎梁。圖1 框架結(jié)構(gòu)件組成

產(chǎn)品總長度接近10 m，其中箱型底座與彎梁長度均接近5 m，焊接工字梁立柱高1.5 m左右，長直焊縫的焊接使焊接熱輸入量增加，更易產(chǎn)生焊接變形，且變形方向的控制也更加困難。

2 焊接難點(diǎn)分析

2.1 焊接難點(diǎn)

難點(diǎn)1：工字型梁焊接時(shí)往往出現(xiàn)翼板的角變形和由于正反面焊縫熱輸入不均造成的旁彎，導(dǎo)致梁的平面度和垂直度出現(xiàn)偏差，給后續(xù)組裝精度帶來影響。

難點(diǎn)2：箱型件焊接是鋼結(jié)構(gòu)件中比較困難的，因箱型結(jié)構(gòu)件組裝成型后剛度較大，焊接時(shí)如出現(xiàn)翹曲、扭曲變形，后續(xù)調(diào)修十分困難，焊接順序的選擇尤為重要。

難點(diǎn)3：總組裝后，如何保證相關(guān)部件的位置尺寸，也給焊接人員帶來了極大的考驗(yàn)。

2.2 現(xiàn)狀分析

按照普通方式進(jìn)行焊接后，各工字梁、柱會產(chǎn)生明顯的焊接變形，如表1所示。

表1 焊接變形量實(shí)測值(平均值)

由表1可看出焊件已出現(xiàn)明顯的焊接變形，且扭曲變形極難調(diào)修，給產(chǎn)品整體組裝帶來很大影響，因此決定采用以下方案進(jìn)行工字梁、柱的制作。

3 焊接方法介紹

3.1 材質(zhì)分析及焊接方法選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，鋼結(jié)構(gòu)件主體材質(zhì)為Q345B低合金高強(qiáng)鋼，板厚主要分布在8 mm～20 mm，此鋼種具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能并且焊接性能也十分良好。因此只需根據(jù)焊接方法選用與母材匹配的焊接材料即可，綜合考慮焊接變形因素，為減少焊接熱輸入且具有一定的焊接效率，選用富氬氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，焊接材料根據(jù)Q345B的屈服強(qiáng)度等級及焊角尺寸要求選用ER50-6，?1.2 mm碳鋼焊絲。

3.2 焊接變形控制方法

3.2.1工字型梁、柱的焊接變形控制

工字型結(jié)構(gòu)件主要由腹板和上、下翼板組成(見圖2)，組焊時(shí)因長度尺寸限制，焊縫縱向的收縮變形只有1 mm～2 mm，在長度公差允許范圍內(nèi)，可不作考慮，所以主要焊接變形來自于翼板的角變形。

圖2 焊接工字梁、柱示意圖

針對翼板角變形，采用兩種方式進(jìn)行控制：一種是反變形法，此法即預(yù)估焊接件的角變形量并提前作出抵消補(bǔ)償，來達(dá)到防止焊接變形的目的。另一種是在工字梁兩側(cè)加裝工藝支撐，但此法存在一定弊端，焊縫焊角過大時(shí)，防止變形的效果明顯降低，且后續(xù)拆除支撐及打磨處理花費(fèi)人工，使產(chǎn)品成本提高，因此該方法需根據(jù)實(shí)際情況選擇使用。另外焊接時(shí)采用對稱焊的方式進(jìn)行，即按照圖2所示的焊縫1～4的順序施焊，以避免工字梁兩側(cè)焊縫熱輸入不均造成扭曲變形。

3.2.2箱型底座結(jié)構(gòu)件的焊接變形控制

箱型底座由底板、折彎蓋板和立板拼接而成(見圖3)，長度接近5 m，為提高結(jié)構(gòu)件的剛度和抗扭能力，在構(gòu)件內(nèi)部設(shè)置橫向筋板，箱型底座整體多以連續(xù)角焊縫為主，局部以“坡口+角焊”形式完成，因板厚限制，角焊縫尺寸偏大，焊接熱輸入增加，焊接變形傾向增加。

圖3 箱型底座示意圖

根據(jù)箱型底座結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，控制焊接變形方式主要采用以下兩種。

(1)預(yù)留余量法：長度方向角焊縫過長，焊接后必然會產(chǎn)生縱向收縮，因此在下料時(shí)，將零件的長度尺寸比設(shè)計(jì)值適當(dāng)加大，以補(bǔ)償焊件的收縮，此處適當(dāng)加長2～3 mm。

(2)剛性固定法：利用工裝夾具將箱型結(jié)構(gòu)件固定于組裝平臺上，再進(jìn)行焊接，焊接時(shí)注意焊接順序的選擇，先焊接筋板兩側(cè)角焊縫，再組裝折彎蓋板后，焊接筋板與蓋板的立焊縫，此處為了減少長度方向的翹曲變形，之后焊接蓋板與底板的水平角焊縫(只焊內(nèi)側(cè)角焊縫)，最后組裝立板，在組裝胎型上將立板和蓋板與底板的外側(cè)平角焊焊接完成，最后利用轉(zhuǎn)臺進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，焊接內(nèi)側(cè)其他焊縫。此處要注意蓋板與立板上部的拼接縫為“坡口焊+角焊”，此處焊縫橫斷面積較大，焊接變形量也大，需在兩側(cè)底座基本完成后，利用拉桿將上部左右立板連接好，尺寸固定后再進(jìn)行焊接，以降低旁彎及角變形量。

3.3 梁焊接變形控制

彎梁為箱型結(jié)構(gòu)和工字型結(jié)構(gòu)的結(jié)合體，前端彎曲上翹部位為工字型結(jié)構(gòu)，下部為箱型結(jié)構(gòu)，如圖4、圖5所示。

圖4 彎梁示意圖

圖5 彎梁工裝夾緊示意圖

為減少彎梁焊接變形，首先采用通過預(yù)留余量法降低配件焊接收縮產(chǎn)生的影響；其次采用剛性固定法點(diǎn)焊成型，減少彎梁的旁彎變形；再通過控制焊接順序降低產(chǎn)生扭曲變形的風(fēng)險(xiǎn)，首先將筋板焊接完成，保證工字梁開檔尺寸，翼板與腹板連接主焊縫焊接順序如圖4所示，焊接采用雙人兩側(cè)分段退焊的方式進(jìn)行(下翼板焊接完成后翻轉(zhuǎn)焊接上翼板，焊接順序相同)，以減少整個(gè)彎梁的扭曲變形。最后焊接其余焊縫。

3.4 整體組裝焊接變形控制

由于焊接變形也受焊縫位置的影響，在整個(gè)結(jié)構(gòu)中存在多處焊縫的不對稱性及散亂排布，焊縫焊角大小也存在差異，因此局部焊縫如彎梁與底座連接處焊縫，立柱支座與底座連接焊縫，均在各部件整體組裝完成后進(jìn)行焊接，整體結(jié)構(gòu)件穩(wěn)定性更為突出，能有效減少焊接變形。

根據(jù)以上方案，通過驗(yàn)證總結(jié)出以下常見焊縫形式及焊接參數(shù)，如表2所示。

表2 焊接參數(shù)的選用

4 焊后變形量分析

通過上述焊接工藝改進(jìn)，焊接變形得到有效控制。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，具體成效如表3所示。

表3 焊接變形量實(shí)測值(平均值)

由表2可見，采用本文中的焊接方案后，各型結(jié)構(gòu)件未出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象，并且旁彎和翹曲變形量均不大于2 mm，滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。

5 總結(jié)

焊接變形是焊接實(shí)際生產(chǎn)中遇到的難點(diǎn)之一，影響焊接變形的主要因素有焊接順序、焊接方法、焊接參數(shù)及焊接熱輸入。改善焊接變形除了從焊接本體考慮之外也可通過剛性固定、反變形等方法實(shí)現(xiàn)。本文針對此類框架結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品的焊接變形分析可得出以下結(jié)論：

(1)焊接順序一般設(shè)為先焊立焊縫， 再焊橫焊縫， 或者通過分段退焊的方式可以減少焊接變形。

(2)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，盡量采用焊接熱輸入量小的焊接方法施焊。

(3)在施焊過程中，適當(dāng)改善焊接工藝措施，如增加工裝、夾具等有助于減少焊接變形。