大型結(jié)構(gòu)件焊接變形控制方法

1、焊接技術(shù)第37卷第6期2008年12月收稿日期:2008-02-26文章編號:1002-025X (200806-0054-03·焊接質(zhì)量控制與管理·0前言大型結(jié)構(gòu)件在實際生產(chǎn)中是指體積龐大、自身質(zhì)量大、由結(jié)構(gòu)鋼焊接而成的零部件,隨著機械工業(yè)的發(fā)展,大型結(jié)構(gòu)件在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。在工程機械產(chǎn)品中,大型結(jié)構(gòu)件是產(chǎn)品的骨骼,如挖掘機的中間架、履帶架、斗桿、伸長臂和鏟斗等都是由大量尺寸與規(guī)格不等的鋼板焊接一起而成的結(jié)構(gòu)件。大多數(shù)結(jié)構(gòu)件在焊后需經(jīng)機加工才能使用,所以對焊接后的部分尺寸精度和位置精度的要求比較高。如圖1所示的EX230型挖掘機超長臂,由46件片件(零件焊接而成,外

2、形尺寸為:9917mm ×1535mm ×725mm ,自身質(zhì)量為2080kg 。圖1中所示3組主要銷軸孔的尺寸精度和位置精度要求較高,孔間距的公差僅為±2mm ,各組孔的中心線平行度為1.0mm ,3組孔需要在焊接后一次裝夾鏜削加工而成。但是由于生產(chǎn)時焊縫比較多,且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊接量較大,容易發(fā)生扭曲變形,如果變形量不能控制在一定的范圍內(nèi),則3組銷軸孔在鏜削加工時就會因沒有余量而無法加工,造成產(chǎn)品報廢。因此控制焊接變形一直是大型結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)制造中的重點、難點。本文就結(jié)合工程機械中的一些典型零部件的生產(chǎn),對大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形種類與原因進行分析,并提出一些有效的控制變

3、形的方法。1焊接變形的種類在實際生產(chǎn)過程中,結(jié)構(gòu)件的焊接變形主要有收縮變形、彎曲變形和扭曲變形。具體焊接件會出現(xiàn)哪種變形,與焊接件的結(jié)構(gòu)、焊縫布置、焊接工藝及應(yīng)力分布等因素有關(guān)。(1收縮變形收縮變形是焊接變形的基本單元,焊縫的冷卻過程是焊縫由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過程,轉(zhuǎn)化的過程中將產(chǎn)生焊接應(yīng)力和焊縫體積縮小的現(xiàn)象,從而導(dǎo)致焊后焊接件外形尺寸減小。收縮變形主要發(fā)生在簡單結(jié)構(gòu)的焊接件焊接中,由于焊縫少、焊縫的方向基本一致,使得各條焊縫收縮的方向一致,焊后僅出現(xiàn)收縮變形,使得焊件外形尺寸減小。(2彎曲變形彎曲變形是由多條焊縫的內(nèi)應(yīng)力和收縮變形結(jié)合的最終結(jié)果,多發(fā)生在焊接件外形細(xì)長且橫截面的上下尺寸相差較

4、大或焊縫分布不對稱,以及焊接次序不合理的焊接件的生產(chǎn)中。如工程機械的履帶架、挖掘機斗桿的焊接,主要出現(xiàn)的是彎曲變形。(3扭曲變形大型結(jié)構(gòu)件焊接變形控制方法左延紅1,王雙平2(1.安徽建筑工業(yè)學(xué)院機電系,安徽合肥230601;2.安徽水力開發(fā)股份有限公司,安徽蚌埠233010摘要:對大型結(jié)構(gòu)件焊接變形的種類和變形原因進行了詳細(xì)的分析,然后介紹了在生產(chǎn)中單獨或綜合運用工藝參數(shù)法、工裝模具法及反變形法,來有效控制大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形。通過對大量工程機械部件的生產(chǎn)實踐,證明這3種方法均可以有效地控制大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形、提高產(chǎn)品質(zhì)量和合格率。關(guān)鍵詞:大型結(jié)構(gòu)件;焊接變形;控制方法中圖分類號:TG457

5、.21文獻標(biāo)識碼:B圖1EX230型挖掘機超長臂外形示意圖2360±215357340±2991772554扭曲變形是大型結(jié)構(gòu)件焊接中最突出的焊接變形,由于大型結(jié)構(gòu)件多數(shù)是框架式結(jié)構(gòu),焊縫布置不對稱、板件尺寸不均勻、焊縫布置無規(guī)律,致使焊縫內(nèi)應(yīng)力的方向不一致、大小不均勻,焊件變形的位置與方向難以預(yù)測,最終呈現(xiàn)扭曲變形。如挖掘機的鏟斗、攤鋪機的熨平板,其焊后主要產(chǎn)生的是扭曲變形。2焊接變形產(chǎn)生的原因焊接變形不僅影響產(chǎn)品的外觀和使用,過大的變形量還會導(dǎo)致焊件的報廢,而造成直接的經(jīng)濟損失,這種現(xiàn)象在大型結(jié)構(gòu)件的焊接中更為突出。要想有效地控制焊接變形,前提是必須要找到焊接變形的原因

6、所在,然后才能采取相應(yīng)的控制方法。焊接變形的原因比較復(fù)雜,主要有焊接應(yīng)力影響、結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、工藝制定不合理等因素。(1焊接應(yīng)力:焊接應(yīng)力是焊接變形的根源,每條焊縫都會產(chǎn)生一定大小和方向的焊接應(yīng)力,焊縫結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,結(jié)構(gòu)件焊接時產(chǎn)生的焊接應(yīng)力大小、方向就越難以預(yù)測,焊接時易出現(xiàn)不均勻膨脹,焊縫冷卻時呈現(xiàn)不均勻收縮,從而產(chǎn)生復(fù)雜的焊接應(yīng)力和焊接變形。(2結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理:結(jié)構(gòu)件的設(shè)計不合理是焊接件焊接變形的一個主要原因,結(jié)構(gòu)設(shè)計中焊縫數(shù)量多、焊縫截面大、焊縫位置不對稱都會使焊接變形加大。(3工藝制定不合理:焊接工藝的制定是焊接件特別是大型結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)的重點和難點,它不僅影響著產(chǎn)品的生產(chǎn)效率,更重要的是

7、直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。焊接工藝中的很多環(huán)節(jié)都對焊接變形有著至關(guān)重要的影響,如焊接設(shè)備的選擇、焊接參數(shù)的選定、焊接順序的制定、工裝夾具的選用等,在制定焊接工藝時都需要認(rèn)真、仔細(xì)考慮,所以說制定一個好的焊接工藝不僅需要豐富的理論知識,還需要豐富的焊接生產(chǎn)經(jīng)驗。3焊接變形的控制方法在實際生產(chǎn)中,大型結(jié)構(gòu)件特別是工程機械中的大型結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和焊縫布置要比教科書和一些相關(guān)技術(shù)資料上所敘述的復(fù)雜得多。不同的焊接件由于外形、焊縫數(shù)量、布置及尺寸不一樣,焊接變形的變形方式和變形量也不一樣,采取的焊接變形控制措施也各不相同。但是總的來說,對于大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形控制方法來說,除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要遵循焊縫數(shù)量盡量少

8、、焊縫截面盡量小、焊縫位置要對稱的三原則外,大多采用工藝參數(shù)法、工裝模具法、反變形法或者3種方法的綜合運用來有效地控制大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形。3.1工藝參數(shù)法焊接工藝參數(shù)法是減少焊接應(yīng)力和控制焊接變形的常用方法,對控制焊接變形起著重要的作用。大型結(jié)構(gòu)件焊接中注重工藝的布置和焊接參數(shù)的選用,具體包括以下幾個方面:(1盡量采用較小熱輸入的焊接方法,如多層焊和CO2氣體保護焊,焊接時采用跳焊和分段焊法;(2選擇合理的焊接順序,盡量采用先內(nèi)后外、從中間到兩端、先短后長的對稱焊接方法,使工件受熱均勻;(3不同的材質(zhì)之間焊接時,可以采用焊前預(yù)熱、焊后回火的方法消除焊接應(yīng)力;(4根據(jù)不同的材質(zhì)、板厚和焊接位置

9、與焊縫類型,合理選用焊接工藝參數(shù),盡可能將焊接電流控制在下限值,以減小熱輸入。3.2工裝模具法工裝模具是大型結(jié)構(gòu)件焊接中不可缺少的設(shè)備,它不僅能夠提高生產(chǎn)效率、減輕工人的勞動強度,重要的是可以有效地控制焊接變形。在實際生產(chǎn)中,工裝模具主要有以下3種:(1搭焊平臺:大型結(jié)構(gòu)件的焊接工藝,一般分為搭焊和焊接兩步,搭焊是為了在焊接前固定各零件在工件中的位置,采用片件間點焊的方式使工件形成一個牢固的框架結(jié)構(gòu),由于框架結(jié)構(gòu)承受焊接變形的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于平面結(jié)構(gòu),這樣就大大提高了焊接件在焊接時抵抗變形的能力。為了有效確定搭焊時各個片件(零件的位置,保證工件的主要尺寸精度和位置精度,生產(chǎn)中多運用搭焊平臺進行工件

10、的整體搭焊,圖2所示的就是ZX200型挖掘機鏟斗在搭焊時所用的搭焊平臺。55焊接技術(shù)第37卷第6期2008年12月圖2鏟斗搭焊平臺示意圖(a 搭焊位置示意圖(b 搭焊平臺側(cè)視圖(2焊接變位機:大型結(jié)構(gòu)件的外形尺寸和其自身質(zhì)量都比較大,在焊接時很難調(diào)整工件的位置。為了提高生產(chǎn)效率和焊縫質(zhì)量,生產(chǎn)中常運用焊接變位機根據(jù)需要改變工件的空間位置,任意調(diào)整工件焊縫的位置,使焊縫處于最佳水平焊接狀態(tài),保證焊縫質(zhì)量和焊接工藝性。圖3所示的是挖掘機鏟斗在焊接時所使用的焊接變位機,在焊接過程中可以帶動鏟斗在空間旋轉(zhuǎn),不斷調(diào)整焊縫位置,使每條焊縫均處于最佳焊接狀態(tài)。(3焊件夾具:大型結(jié)構(gòu)件在搭焊和焊接時,工件和各

11、片件(零件在自身質(zhì)量和焊接應(yīng)力的作用下,很難保證位置固定不變,因此焊接件的各個片件(零件除了用搭焊平臺定位外,還需要有效地夾緊,以提高工件抵抗變形的能力。因此大型結(jié)構(gòu)件在生產(chǎn)中還需使用各種通用夾具(如C 形夾和專用夾具(如在焊接中保證鏟斗斗底尺寸的專用撐桿,保證焊接的精確性和可靠性。3.3反變形法由于焊縫在冷卻過程中的收縮,致使焊接后工件外形尺寸減小,為了彌補焊接中產(chǎn)生的收縮量,在大型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)中常采用反變形法。這種方法是在生產(chǎn)中預(yù)先制造一個變形,使得這個變形量與焊后發(fā)生的變形方向相反而變形量基本相等。如生產(chǎn)圖4所示的VB1250型攤鋪機熨平板時,圖樣要求焊后的主體長度尺寸(兩側(cè)板的外形尺寸

12、為(1470±2mm ,以保證焊后機加工兩側(cè)板的加工余量,尺寸過大,則機加工后兩側(cè)板偏薄;過小,則沒有加工余量,因此過大過小都會造成產(chǎn)品報廢。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn),如果搭焊后尺寸為1470mm ,則焊接冷卻后,尺寸只有14681466mm ,收縮量為24mm 。為了保證焊接后尺寸在尺寸公差范圍內(nèi),筆者采用反變形法,即用搭焊平臺控制搭焊后主體長度尺寸為1473mm ,這樣焊接冷卻后,尺寸基本控制在公差范圍內(nèi)。4結(jié)束語焊接變形本身就是很復(fù)雜的課題,由于大型結(jié)構(gòu)件的尺寸和自身質(zhì)量大、焊縫分布復(fù)雜,控制大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形就更加困難,而且大型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)成本較高,只有降低產(chǎn)品的報廢率,才能提高產(chǎn)品生產(chǎn)的經(jīng)濟性,因此控制大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形就顯得更為重要。以上是大型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)中常采用的幾種控制焊接變形方法,通過在工程機械的一些大型結(jié)構(gòu)件(如挖掘機