长箱形结构箱体焊接变形控制及研究

2021-11-25于前吴香清胡妞

机械工程师 2021年11期

于前, 吴香清, 胡妞

（中联重科股份有限公司，长沙 410013）

0 引言

箱型结构是工程机械焊接结构件中最常用的结构，大型箱体结构焊接后焊缝纵向收缩、横向收缩以及挠曲不可避免，这些变形是结构件在焊接生产中最常出现的问题。焊缝金属在焊接冶炼过程中，焊接热输入将引起工件不稳定、不均匀的温度场，同时由于焊缝母材受到焊接工装等外部约束作用，近焊缝区产生拉应力，而在远离焊缝的区域内产生压应力。当焊缝的纵向收缩产生的压应力达到临界失稳应力时，将发生失稳的焊接变形[1-2]。长箱形结构箱体焊接变形后不仅影响外观形状、降低装配质量，引起干涉，且箱体结构变形后无法通过机械矫正消除，只能通过打磨盖板等来消除干涉，给生产带来了极大的困扰和额外的返修工作量[3]。变形严重的甚至会导致结构无法使用，只能报废，造成生产浪费。因此，研究长箱形结构箱体焊接变形控制方法显得极为重要。

1 长箱形结构箱体结构介绍

本文主要研究泵车支腿上使用的长箱形结构箱体焊接变形，其箱体主要是由4块高强钢板材拼焊组成，包含左腹板、右腹板、上盖板及下盖板，如图1所示。

图1 长箱形结构箱体结构示意图

2 长箱形结构箱体变形原因分析

2.1 来料精度

组成箱体结构腹板是焊接组件，自身尺寸受对接焊影响，精度较差。左右腹板都是先单独铣边，再对接组焊而成，拼焊后发生变形，引起腹板直线度大于1 mm。将盖板与腹板组成箱体时，腹板上拱部分将盖板顶起，下凹部分使上、下盖板与腹板的贴合间隙大于1 mm，这些间隙较大，难处理，焊后对收缩力抵抗较差，将引起箱体收缩变形。

上、下盖板平面度差，会导致组箱后盖板凹陷位置与腹板连接处出现间隙，间隙位置受焊后收缩力影响，容易使箱体发生变形（类似于腹板直线度引起的变形）。

2.2 刚度及约束度

焊件刚度和约束度对焊接应力和变形影响较大[4]，刚度越大，焊接变形越小，残余应力越大；刚度越小，焊接变形越大，残余应力越小。刚度是焊件本身具有的抵抗变形的能力，它与结构件截面惯性矩和母材的屈服极限相关，构建截面惯性矩越大，刚度越小；母材屈服极限越大，构件的刚度越大，反之则刚度越小。因此长箱形结构箱体所选用母材材质强度越高，越有利于减少变形。

图2 长箱形结构箱体腹板直线度差导致变形

拘束度是指焊接构件以外的外部物体对构件的约束程度。拘束度越大焊接区域金属无法自由热膨胀，压缩塑性变形小，焊接变形小。长箱形结构箱体腹板与盖板之间无其余结构件约束，摆搭完成后转入箱体外侧4条主焊缝焊接工序，箱体外焊缝较长，热输入大，焊后收缩无外力拘束，焊后变形较大。

2.3 热输入

焊接变形主要是因结构件在焊接过程中受热不均、冷却收缩引起。闫俊霞等[5]结合实际试验对焊接失稳变形的原因进行了较为细致的分析，研究表明热输入是焊接变形的主要影响因素。焊接线能量是热输入的直接体现，焊接线能量越大，说明热输入量大，焊接变形增大。通过Tendon Force的概念[6]计算如公式F=200Q可知，单道焊接的纵向收缩力同焊接单位长度的热输入线能量呈正比，即热输入越大，焊接变形的驱动力越大。其中：F为纵向收缩力，N；Q为单位长度热输入，即线能量，J/cm。

长箱形结构箱体主焊缝传统焊接方式为采用4 mm打底+4 mm填充+15 mm填充盖面（如图3），填充盖面单道焊接线能量相当大，焊接纵向收缩力F相当大，变形大。通过对改善前焊接工艺生产的100件长箱形结构箱体下盖板翘起尺寸测量，发现超过50%产品下盖板外端翘起尺寸在1.5 ～2.5 mm，最严重的达3.6 mm，无法满足质量要求。

图3 现有焊接方式

2.4 焊接返工

厚板焊接，由于坡口及焊脚尺寸大，焊缝成型时更容易产生气孔、咬边、未焊满、外观成型不良等焊接缺陷，这些缺陷都需要先彻底清除，并修磨出焊道后，再补焊。返工焊接缺陷的二次热输入相当大，并导致箱体局部受热，冷却时局部收缩严重，变形量大。大部分返修工作均不在产线内工装上进行，工件返修时属于自由状态，并无外部约束力，因此返工对焊接变形影响非常大。

长箱形结构在焊接时，出现频次最高的是咬边缺陷。主焊缝焊脚达12 mm，外焊缝为减少变位机翻转次数，改善前焊接工艺是将长箱形结构箱体平放，在平焊位置焊接，由于焊液自身重力作用，上端焊趾位置由于焊液填充不够或不及时，容易产生沟槽，形成咬边，也容易产生焊脚不对称等缺陷。因此减少焊缝咬边产生，有利于减少焊接返工和控制箱体局部变形。

3 变形控制措施

3.1 控制来料尺寸

图4 不同焊接位置焊接效果

对零件来料进行控制，禁止变形大于1 mm零件流入焊接岗位，将变形大于1 mm零件校正符合要求后再转入组箱工序。

腹板焊件由2块腹板对接而成，且留有高度余量。将腹板加工工艺由先加工零件高度余量，再对接腹板改为先对接焊2块腹板再整体进行余量加工，控制腹板焊件直线度小于0.5 mm，减小上、下盖板与腹板的贴合间隙，进而减少焊后箱体收缩变形。

上、下盖板先校平，确保平面度小于0.5 mm后再组箱，减少盖板与腹板连接处间隙，减少箱体焊后收缩变形量。

3.2 焊接工艺支撑增加约束

焊前将工装调整到位，不宜过挤，也不宜过松，应确保工件放入焊接工装后在未压紧状态下，零件与工装定位销、定位块、压紧块之间的间隙小于0.5 mm，避免工装自身与零件过定位的挤压变形，同时给与工件外部约束。

针对箱体结构中的长直线焊缝形式，在现有条件的基础上，在长箱形结构箱体内头尾部焊接工艺撑固定，增加刚性固定约束，焊后24 h再割除，可减少箱体焊接过程中的扭曲变形及凹凸变形。

3.3 控制焊接热输入

焊接热输入是导致结构件焊接变形的根本原因，控制焊接热输入的关键在于调整焊接线能量，即调整焊缝单位长度上输入的能量。焊接线能量计算公式[7]为:q=IU/v，其中：I为焊接电流，A；U为电压，V；v为焊接速度，cm/s；q为线能量，J/cm。线能量反映了焊接电流、电弧电压和焊接速度三大焊接关键工艺参数对焊接热循环的影响。本文设计多组试验，通过调整电流、电压、焊接速度来控制单道最大焊接线能量，控制焊接变形量。综合考虑生产效率，采用3道焊接完成C11+12 mm角焊缝，试验参数及变形结果如表1和图5所示。

表1 支腿箱体焊接试验

通过图5可看出，第一组焊接方案为改善前焊接方式，单道焊接线能量最大，变形量达3.6 mm，优化后，第七组焊接方案单道最大焊接线能量最小，变形量仅为0.6 mm，满足设计要求。

图5 长箱形结构箱体焊接线能量/变形量关系

3.4 提升焊接质量

通过焊前点检焊接设备、焊枪、保护气、焊丝等，清理焊道及附近30 mm范围内油污锈层，严格按照工艺要求焊接参数进行焊接，预防气孔、咬边、未焊满等焊接缺陷产生。

焊缝在平焊或船型焊接位置进行焊接，可提高焊缝成型的稳定可靠性，提高焊缝外观合格率，减少返工。

提升长箱形结构箱体焊缝焊接寻位及跟踪技术。机器人焊接要实现稳定的焊缝质量，需要保证焊丝始终指向规定角度即略偏向底板1°～2°位置，在密集的电源间磁场干扰下，传统的焊丝接触寻位和电弧跟踪，无法满足稳定焊接的精度要求，因此在机器人上集成激光跟踪系统，并根据箱体焊缝结构形式，调试独有的焊接自动补偿参数以确保稳定的焊接质量。

综上，通过控制焊前处理、焊接位置及提升长箱形结构箱体焊缝焊接寻位和跟踪技术，可提升焊接质量，减少返工，从而减少焊接变形。