江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院泰州分院 / 宋志偉 孔佶磊 張偉剛 王澤華

叉車門架焊接變形控制

江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院泰州分院 / 宋志偉 孔佶磊 張偉剛 王澤華

叉車門架焊接變形常常影響叉車的正常使用，本文通過模擬叉車門架的焊接變形，得出其變形趨勢(shì)和大小，結(jié)合剛性固定的焊接夾具來控制叉車門架的焊接變形，使得叉車在使用過程中門架變形的概率大大減小。

門架、焊接變形、數(shù)值模擬

叉車是物料搬運(yùn)作業(yè)的重要設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)物流機(jī)械化作業(yè)、減輕工人搬運(yùn)勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)效率的主要工具。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，叉車的產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)了快速增長。叉車的焊接結(jié)構(gòu)件在整個(gè)叉車重量中占到40%左右，傳統(tǒng)的門架制作工藝是先焊接后矯正，矯正后的門架存在殘余應(yīng)力，在叉車的正常使用過程中由于殘余應(yīng)力的釋放，不僅會(huì)使門架產(chǎn)生變形，而且降低了門架的實(shí)際承載能力，甚至發(fā)生門架斷裂事故。因此，叉車門架焊接變形一直是叉車生產(chǎn)企業(yè)高度關(guān)注的問題。

一、焊接變形的原因及控制

焊接就是通過一定的物理或化學(xué)措施，通過加熱或加壓，或者熱壓并施，把兩個(gè)分離的固態(tài)金屬或非金屬，或金屬與非金屬連接成一個(gè)整體，使其達(dá)到原子間結(jié)合的一種熱加工方法，焊接的本質(zhì)就是使兩個(gè)分離的金屬構(gòu)件連接在一起。

在焊接中，焊縫受熱會(huì)沿著母材的長度、寬度、厚度方向形成溫度分布，由于焊縫區(qū)溫度較高，先發(fā)生彈性形變，超過彈性變形范圍就會(huì)發(fā)生塑性形變，而鄰近的區(qū)域溫度相對(duì)較低，會(huì)發(fā)生彈性形變，整個(gè)過程一直發(fā)生著熱應(yīng)變。

焊接變形的主要形式有收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形和扭曲變形等。焊接過程中，對(duì)焊件進(jìn)行不均勻加熱和冷卻，是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因；而焊縫金屬冷卻時(shí)，當(dāng)它由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時(shí)，其體積要收縮。由于焊縫金屬與母材是緊密聯(lián)系的，因此焊縫金屬并不能自由收縮，這將引起整個(gè)焊件的變形，同時(shí)在焊縫中引起殘余應(yīng)力。

焊接變形的控制方式主要有：

（1）預(yù)留收縮變形量，根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在焊件備料及加工時(shí)預(yù)先考慮收縮余量，以便焊后工件達(dá)到所要求的形狀、尺寸。

（2）反變形法，根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，預(yù)先估計(jì)結(jié)構(gòu)焊接變形的方向和大小，然后在焊接裝配時(shí)給予一個(gè)方向相反、大小相等的預(yù)置變形，以抵消焊后產(chǎn)生的變形。

（3）剛性固定法，焊接時(shí)將焊件加以剛性固定，焊后待焊件冷卻到室溫后再去掉剛性固定，可有效防止角變形和波浪變形。此方法會(huì)增大焊接應(yīng)力，只適用于塑性較好的低碳鋼結(jié)構(gòu)。

（4）合理的焊接順序，盡量使焊縫自由收縮。焊接焊縫較多的結(jié)構(gòu)件時(shí)，應(yīng)先焊錯(cuò)開的短焊縫，再焊直通長焊縫，以防在焊縫交接處產(chǎn)生裂紋。如果焊縫較長，可用逐步退焊法和跳焊法，使溫度分布較均勻，從而減少了焊接應(yīng)力和變形，合理地配和焊接順序。

（5）錘擊焊縫法。在焊縫的冷卻過程中，用圓頭小錘均勻迅速地錘擊焊縫，使金屬產(chǎn)生塑性延伸變形，抵消一部分焊接收縮變形，從而減小焊接應(yīng)力和變形。

（6）加熱“減應(yīng)區(qū)”法。焊接前，在焊接部位附近區(qū)域(稱為“減應(yīng)區(qū)”)進(jìn)行加熱使之伸長，焊后冷卻時(shí)，加熱區(qū)與焊縫一起收縮，可有效減小焊接應(yīng)力和變形。

（7）焊前預(yù)熱和焊后緩冷。預(yù)熱的目的是減少焊縫區(qū)與焊件其他部分的溫差，降低焊縫區(qū)的冷卻速度，使焊件能較均勻地冷卻下來，從而減少焊接應(yīng)力與變形。

（8）合理的焊接工藝方法。采用焊接熱源比較集中的焊接方法進(jìn)行焊接可降低焊接變形。

>> 圖1 叉車外門架模型

二、門架焊接變形的數(shù)值模擬

由于叉車門架幾何模型復(fù)雜焊縫較多，因此采用Solid Works構(gòu)建叉車內(nèi)外門架有限元模型，導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分等前置處理，最后提交到ANSYS解算。叉車外、內(nèi)門架模型，如圖1、2。

模擬內(nèi)門架焊時(shí)，實(shí)際的焊接情況是首先將工件進(jìn)行點(diǎn)焊，然后進(jìn)行裝夾焊接。在數(shù)值模擬計(jì)算過程中，約束模擬采用SPRING單元，施加足以約束剛體運(yùn)動(dòng)的若干彈簧，在這里彈簧的剛度足夠小，并不對(duì)變形體的變形產(chǎn)生太大的影響。在有限元計(jì)算中加載位移邊界條件，是為了防止計(jì)算中出現(xiàn)的剛性位移而導(dǎo)致的整體剛度矩陣奇異或非正定，且所加的約束條件又不能阻礙在焊接過程中應(yīng)力的自由釋放以及焊件的自由變形。

從數(shù)值模擬計(jì)算分析的結(jié)果可以看出，叉車內(nèi)門架在焊接過程中上橫梁處寬度方向的變形較小，中間變形較大，從而使得滑道間距離增大；下橫梁處變形很大，滑道之間的距離較小。叉車外門架在焊接過程中上橫梁和中橫梁處出現(xiàn)內(nèi)凹，滑道寬度方向減小，上橫梁和中橫梁之間出現(xiàn)了外凸，下橫梁也輕微的有外凸現(xiàn)象。結(jié)合內(nèi)門架的焊接數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，在裝配過程中外門架的上橫梁和內(nèi)門架處于上橫梁和下橫梁之間的部分殘余變形較大，會(huì)出現(xiàn)夾死現(xiàn)象，與叉車門架生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題想符合。這一模擬結(jié)果與焊接后門架檢測(cè)結(jié)果高度吻合，從變形趨勢(shì)上符合門架焊接實(shí)際工藝。內(nèi)、外門架寬度方向變形，如圖3、圖4。

>> 圖2 叉車內(nèi)門架模型

三、門架焊接變形控制

上文提到的焊接變形控制方法多種多樣，這里采用剛性固定法，在叉車門架的焊接過程中采用外力將構(gòu)件緊壓在具有足夠剛度的夾具和平臺(tái)上，使它產(chǎn)生一個(gè)反變形，然后進(jìn)行焊接。該方法不僅僅控制了焊接中的變形，并減少了焊接后的殘余應(yīng)力。但在實(shí)際的過程中，反變性量的大小和施加點(diǎn)的確定往往是憑借生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)和多次反復(fù)的嘗試來得出的，不僅要投入大量的人力，更不利于企業(yè)產(chǎn)品的改型。因此，結(jié)合上面的數(shù)值模擬計(jì)算，不僅僅能夠預(yù)測(cè)叉車門架焊接變形的趨勢(shì)，還能夠預(yù)測(cè)叉車門架焊接變形的大小。

本文結(jié)合叉車門架本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、生產(chǎn)中的工藝以及使用的要求，采用反變形法，即事先通過數(shù)值模擬預(yù)估好結(jié)構(gòu)變形的大小和方向，在進(jìn)行裝配時(shí)，先將焊件向與焊接變形相反的方向進(jìn)行人為的變形，以達(dá)到焊后與焊接變形相抵消的目的。企業(yè)在產(chǎn)品升級(jí)改型時(shí)，可以利用現(xiàn)有的三維建模軟件建模、處理，再進(jìn)行焊接變形的數(shù)值模擬計(jì)算，得出焊接變形的大小和趨勢(shì)，再根據(jù)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果制定相關(guān)的工藝，通過調(diào)整夾具來控制門架的變形量及變形方向。

>> 圖3 內(nèi)門架寬度方向變形

>> 圖4 外門架寬度方向變形

四、結(jié)論

本文通過對(duì)叉車內(nèi)門架和外門架的焊接變形的數(shù)值模擬計(jì)算，得出了焊接變形的大小和趨勢(shì)，并通對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的焊接變形測(cè)試，驗(yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算在叉車門架焊接變形預(yù)測(cè)中的可行性，從而為叉車門架的焊接變形的大小和趨勢(shì)的預(yù)測(cè)提供了可靠的依據(jù)，縮短了制定叉車門架焊接工藝的周期，大大減少了生產(chǎn)中矯正焊接變形等工藝，減少了焊接殘余應(yīng)力，使得產(chǎn)品在使用過程中發(fā)生變形的幾率大大減小。