工程机械支腿结构焊接菱形变形的控制与研究

周燕妮 李 辉

（1.中国矿业大学徐海学院，江苏 徐州 221000；2.徐工消防安全装备有限公司，江苏 徐州 221000）

0 引言

焊接是现代工业生产和科学技术发展中的关键技术之一，作为一种基本的加工方法，在工业生产制造中具有举足轻重的地位[1]。但焊接局部受热，焊后存在不同程度的残余应力及变形，焊接变形不仅会影响结构的外观，而且影响拼装构件的安装精度，焊接后需要对变形进行矫正，然而矫正过程会耗费很大的人力、物力、财力。该文对不同工艺条件下的焊接变形和应力进行研究，可解决很多结构中的焊接变形问题[2]。该文主要通过优化焊接工艺，控制工程机械箱型支腿结构焊接菱形变形。

1 工件结构及变形数据分析

1.1 试验构件结构形式

工程机械工作时，为提高其稳定性，须在车身周围伸出4 个支腿支撑地面，如图1 所示。其支腿在车架内伸缩，须控制其配合间隙，因此要严格控制支腿的外形尺寸。支腿工作时受力大、板厚，左右侧板厚度均为8mm，上下盖板厚度均为12mm，材质为低合金高强钢Q550，支腿设计为箱型焊接结构。箱体支腿主要由上下盖板和左右侧板连接的4 条长角焊缝以及四边形各面上加强板的连接焊缝组成。

图1 工程机械支腿图

焊后箱体发生菱形变形，由均为直角的长方形，变形为偏离直角的菱形。即长方形横截面发生了倾斜，由直角变形为钝角或锐角，变形量约4mm，如图2 所示。为控制支腿配合间隙，保证支腿装配顺利，须将倾斜的多余尺寸进行机加工切削。若变形量大于机加工余量，还需先进行压力调形[3]，增加加工成本及生产节拍。

图2 支腿焊接菱形变形图

1.2 焊接变形数据分析

收集支腿整个焊接过程的变形数据，找出主要引起菱形变形的工序，进行重点控制试验。箱型支腿的焊接分成2 遍焊接工序，一遍焊接支腿的箱体结构，焊接上下盖板和左右侧板连接的4 条长角焊缝。二遍在箱体的基础上拼点焊接四边形各面上加强板的连接焊缝。整体焊后变形数据见表1。

表1 原工件焊后菱形变形量

由表1 可知，箱型支腿一遍焊接后菱形变形量约为3mm～4.5mm，二遍焊接后菱形变形量约为2.5mm～5mm。支腿的焊接菱形变形主要由一遍焊接引起，二遍对菱形变形影响约为0～0.5mm，可忽略不计。因此，主要在支腿一遍焊接工序上，研究其控制变形的方案。

2 试验方案

焊接是一种瞬时局部热输入的过程[4]，热量高度集中。焊接生产过程中不均匀的受热和冷却，且受周边区域的约束，在焊接后会产生较大的残余应力及变形[5]。支腿的菱形变形主要由箱型的4 条长角焊缝的焊接变形引起，焊缝尺寸相同，但在焊接过程中焊接顺序会导致结构刚度变化，先焊焊缝刚度约束最小，变形最大，后焊焊缝的刚性约束越来越大，变形逐渐减少，从而引起4 条长角焊缝角变形大小不一，导致箱体焊接结构菱形变形。研究人员可以调整焊接顺序进行试验，减小其焊接变形量[6]。

2.1 单边V 型打底焊接顺序优化方案

打底焊焊接顺序优化实验主要调整4 条长角焊缝的打底焊接顺序，使左右两边打底焊焊缝角变形量相近或相同即可，使焊接菱形变形相互抵消。具体方案见表2。

表2 优化打底焊焊接顺序试验方案

为减小焊接变形，方案一将长打底焊缝采用分段退焊法焊接，如图3 所示。方案二，则采用两侧打底焊缝进行分段对称焊接，如图4 所示。方案三，两侧打底焊缝使用交替分段对称焊接，即第一小段的焊接先后顺序与第二小段的顺序相反，第三小段的焊接先后顺序又与第二小段的顺序相反，依次类推，如图5 所示。

图3 方案一打底焊顺序图

图4 方案二打底焊顺序图

图5 方案三打底焊顺序图

2.2 角焊缝盖面焊接顺序优化方案

盖面焊焊接顺序优化实验主要调整4 条长角焊缝的盖面焊接顺序，组合出3 个盖面焊焊接顺序不相同的方案。具体方案见表3。

表3 优化盖面焊焊接顺序试验方案

方案四依次从左到右盖面焊接，上盖板的连接盖面焊缝，先焊左侧再焊右侧，同理，下盖板的连接盖面焊缝，也先焊左侧再焊右侧。方案五，则按顺时针依次盖面焊接。方案六，则采用对角对称盖面焊接，先对称焊接一对对角焊缝，再对称焊接另一对对角焊缝。

3 试验数据及分析

3.1 打底焊接顺序优化试验数据及分析

3.1.1 打底焊试验数据

优化打底焊顺序后，焊接完箱型支腿，测得其焊接菱形变形的数据见表4。方案一先打底焊完一侧再焊另一侧，焊后菱形变形量0～4mm，变形较大。方案二对称打底焊，焊后菱形变形量0～2mm，变形较小。方案三交替对称打底焊，焊后菱形变形量0～0.5mm，变形最小，基本不变形。

表4 优化打底焊顺序试验后支腿菱形变形量

3.1.2 打底焊试验数据分析

方案一采用的是分段退焊法，先焊完①②③④，然后再焊⑤⑥⑦⑧。随着焊缝①～焊缝⑧依次焊接，焊缝①～焊缝⑧焊接时的刚性依次增大，其焊接变形ε依次减小。即ε1>ε2>ε3>ε4>ε5>ε6>ε7>ε8，一侧的焊接总变形为ε1+ε2+ε3+ε4，另一侧焊接总变形为ε5+ε6+ε7+ε8，两侧总焊接变形量不可抵消，ε1+ε2+ε3+ε4>ε5+ε6+ε7+ε8，但分段退焊法存在一定焊前预热效果[7]，焊缝①刚焊完，会产生较高的热量，会对②处有一定的预热保温作用，这样在焊缝②不会产生较大的变形，如图6 所示，方案一焊接菱形变形量在2mm～3mm，其变形量比原生产方式接菱形变形量小约4mm。

图6 方案一数据图

方案二采用的是对称打底焊，随着焊缝①～焊缝⑧依次焊接，其刚性依次增大，焊接变形ε依次减小。一侧的焊接总变形为ε1+ε3+ε5+ε7，另一侧焊接总变形为ε2+ε4+ε6+ε8，ε1+ε3+ε5+ε7>ε2+ε4+ε6+ε8，两侧总焊接角变形量仍然不可抵消，但角变形抵消量大于方案一，如图7 所示，方案二焊接菱形变形量约1mm～2mm，其变形量小于方案一焊接菱形变形量约2mm～3mm。

图7 方案二数据图

方案三采用的也是对称焊接，但是顺序有所改变，交替对称打底焊。一侧的焊接总变形为ε1+ε5+ε6+ε7，另一侧焊接总变形为ε2+ε3+ε4+ε8，ε1+ε3+ε5+ε7≈ε2+ε4+ε6+ε8，两侧总焊接角变形量基本抵消，如图8 所示，方案二焊接菱形变形量为0～0.5mm，基本消除箱体的焊接菱形变形。

3.2 盖面焊接顺序优化试验数据及分析

3.2.1 盖面焊试验数据

改变盖面焊顺序后，焊接完箱型支腿，测得其焊接菱形变形的数据如表5 所示。方案四依次从左到右盖面焊接，焊后菱形变形量2mm～3.5mm，变形较大。方案五按顺时针依次盖面焊接，焊后菱形变形量3mm～4mm，变形大。方案六采用对角对称盖面焊接，焊后菱形变形量3.5mm～5mm，变形最大。

表5 优化盖面焊顺序试验后支腿菱形变形量

3.2.2 盖面焊试验数据分析

由表5 可知，改变盖面焊焊接顺序，箱型支腿菱形变形量为2mm～5mm，变形仍然很大，与原始方案焊接变形量3mm～4.5mm，基本相近，因此盖面焊接顺序对焊接变形量影响较小。打底焊缝先焊接，打底焊缝虽然焊接量较小，但先焊接时，刚性最小，引起的焊接变形最大。打底焊缝焊接后，支腿的刚性大大增加，再焊接盖面焊缝，即使盖面焊缝焊接量较大，引起的焊接变形却很小，因此盖面焊缝对焊接变形影响很小。

4 结论

活动支腿是工程机械的关键部件，承受着工程机械的重量与负载，因此需要控制活动支腿的焊接焊接变形，提高其精度。该文结合消防车的活动支腿的焊接问题，进行了探讨和分析。得到以下结论：1）活动支腿在焊接过程中产生的菱形变形，实际上是角变形引起的，角变形引起角度变化不均匀，最终导致菱形变形产生。2）分段打底退焊具有焊前预热作用，可一定程度上降低焊接变形，减小箱型结构的焊接菱形变形。3）分段对称打底焊接，基本不降低焊接角变形量，但可增大两侧角焊缝角变形均匀程度，一定程度上减少箱型结构的菱形变形。4）交替对称打底焊接，在不降低焊接角变形量的情况下，最大程度地使箱型左右两侧角焊缝的角变形量相同，使不同方向的菱形变形相互抵消，达到控制箱型结构焊接产生的菱形变形，提高箱型支腿的制造精度的目的。5）盖面焊最后焊接，刚性增大，焊接变形减小，基本不影响焊接菱形变形量。