胡 煒，周 剛

（三一汽車制造有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410100）

0 前言

工程機(jī)械、船舶、橋梁和建筑等領(lǐng)域，不僅其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且許多結(jié)構(gòu)采用焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。施焊過(guò)程中，受熱源和熱循環(huán)的作用及外部環(huán)境溫度的影響，使得焊接構(gòu)件受熱不均勻，導(dǎo)致其收縮量和收縮速率不一致，從而發(fā)生焊接變形[1-2]。攪拌主機(jī)是混凝土攪拌站的核心部件，而端板組是攪拌主機(jī)的重要組成部分，由于其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及目前的工藝水平，往往焊后會(huì)產(chǎn)生較大的焊接變形，很難保證端板的平面度，導(dǎo)致需要較長(zhǎng)時(shí)間的火焰校正，延長(zhǎng)了整個(gè)主機(jī)生產(chǎn)線的節(jié)拍時(shí)間，影響生產(chǎn)效率。因此對(duì)攪拌主機(jī)端板組的制作工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高其制作效率，進(jìn)而降低整個(gè)攪拌主機(jī)制作的節(jié)拍時(shí)間具有重要的意義。

本文通過(guò)分析混凝土攪拌站主機(jī)端板組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及焊接變形的影響因素，通過(guò)一系列焊接試驗(yàn)優(yōu)化焊接工藝，同時(shí)采用適當(dāng)?shù)暮附幼冃慰刂萍夹g(shù)，力求改進(jìn)主機(jī)端板的制作工藝，減小焊接變形量，從而提高主機(jī)端板組的制作效率及縮短節(jié)拍時(shí)間。

1 主機(jī)端板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝難點(diǎn)

圖1為攪拌站主機(jī)端板組，端板組設(shè)計(jì)由端板和諸多筋板組成，焊縫分布在端板的一側(cè)且相當(dāng)集中，該設(shè)計(jì)既能保證攪拌主機(jī)的剛性，同時(shí)能確保雙臥軸的平行度和同心度，但這種結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中容易造成端板兩側(cè)較為明顯的不均勻溫度場(chǎng)，焊縫分布一側(cè)溫度明顯高于無(wú)焊縫側(cè)，因此，端板組在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生彎向筋板一側(cè)的焊接變形。端板的變形使其平面度不符合設(shè)計(jì)要求，增加了后續(xù)的端板校平工序，提高了制造成本，削弱了承載力和穩(wěn)定性，降低了制作效率。

圖1 缸體端板組

2 端板組工藝流程改進(jìn)

2.1 改進(jìn)前端板組的工藝流程

改進(jìn)前端板組的制作工藝流程為：等割→校平→鉆孔→焊，其中原材料下料后其本身平面度變形不小于4 mm，在沒(méi)有專用校平機(jī)的情況下，端板下料后在卷板機(jī)上進(jìn)行校平，校平后端板平面變形仍有3 mm左右，然后進(jìn)行鉆孔，鉆孔后端板會(huì)產(chǎn)生一定的變形約為0.5～1 mm，最后焊接是端板組變形的主要來(lái)源，前后端板組在工裝上組對(duì)定位好后背靠背固定，然后焊接所有焊縫，端板組在焊接過(guò)程中產(chǎn)生3～4 mm的焊接變形。整個(gè)工藝流程從下料至焊接，端板組的平面變形量逐步累積，增加了焊后?；鸬碾y度，改進(jìn)前每對(duì)端板組校火時(shí)間約為4～6 h，嚴(yán)重影響整個(gè)工藝流程的制作效率。

2.2 改進(jìn)后端板組的工藝流程

根據(jù)改進(jìn)前端板組各制作工藝對(duì)端板變形的影響及原因分析可以得知，端板組的變形是各工藝過(guò)程累積而成，因此必須對(duì)之前的工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，即將校平工序放置在鉆孔之后，整個(gè)工藝流程變?yōu)椋旱雀睢@孔→校平→焊，此外，引進(jìn)專用十一輥校平機(jī)對(duì)鉆孔后的端板進(jìn)行校平處理，消除原材料和鉆孔后累積的平面變形，同時(shí)端板在經(jīng)過(guò)十一輥校平機(jī)校平后本身的剛度也得到一定的提高。工藝流程優(yōu)化后，端板組焊后變形量減小至2～3 mm，主要集中在圖 2 所示 1、2、3、4、5、6 部位，焊后校火時(shí)間也縮短至1.5 h左右。

圖2 端板焊接變形集中區(qū)域

3 端板組焊接工藝改進(jìn)

3.1 端板焊接變形影響因素

缸體前后端板組照片如圖3所示，各組成部分在焊接過(guò)程中無(wú)可避免地會(huì)發(fā)生冷熱循環(huán)，引起焊縫金屬和焊縫附近的母材發(fā)生一定的熱應(yīng)變，所有應(yīng)變疊加作用，結(jié)果產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，并引發(fā)構(gòu)件收縮、彎曲等位移，即焊接變形。根據(jù)變形產(chǎn)生的不同階段，焊接變形可分為焊接中的熱變形和室溫下的殘余變形兩種。導(dǎo)缸體端板焊接變形的因素多種多樣，主要有一下幾種：

1）材料的影響：材料的影響主要是其本身的熱力學(xué)性能。材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)越小，溫度梯度就越大，焊接變形也就越顯著；材料的熱膨脹系數(shù)越大，對(duì)焊接變形的影響也會(huì)越大；此外，材料屈服極限和彈性模量及其隨溫度的變化率，對(duì)焊接變形也有一定的影響，通常隨著彈性模量的增大，焊接變形會(huì)隨之減小。

2）結(jié)構(gòu)的影響：研究表明，影響焊接變形最復(fù)雜、最重要的因素是焊接結(jié)構(gòu)，如增加焊接中構(gòu)件的拘束度，焊接殘余應(yīng)力會(huì)增加，但焊接變形會(huì)相應(yīng)減少。焊接中構(gòu)件的拘束分兩種：一種是工件本身的拘束，另一種是外加拘束。工件本身的拘束作用在焊接中起主要作用，且拘束度的變化隨結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加而增加。在實(shí)際加工中，為了增加結(jié)構(gòu)的剛性和穩(wěn)定性，往往采用設(shè)計(jì)增加加強(qiáng)筋或加強(qiáng)板的方法。但加裝后，焊接結(jié)構(gòu)變的復(fù)雜，給焊接變形控制和分析帶來(lái)一定的困難。因此，焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，合理的選擇板厚，優(yōu)化加強(qiáng)筋板的數(shù)量和位置，對(duì)焊接變形的控制具有非常重要的意義。

3）工藝的影響：焊接工藝對(duì)焊接變形有著重要的影響，且涉及的方面較多，如焊接方法、焊接工藝參數(shù)、焊接順序、工件的裝配順序、焊接熱輸入量、構(gòu)件定位和夾具的應(yīng)用等。

圖3 缸體前后端板組照片

3.2 焊接工藝改進(jìn)

本文作者在以前的焊接變形研究中得出[3]，在焊接結(jié)構(gòu)中焊接變形和焊接殘余應(yīng)力是相輔相成并同時(shí)存在與結(jié)構(gòu)中，焊接殘余應(yīng)力是引起焊接變形的根本原因，但焊接殘余應(yīng)力并不一定表現(xiàn)為焊接變形。眾多的試驗(yàn)研究表面，焊接結(jié)構(gòu)中的焊接變形和焊接殘余應(yīng)力并不是孤立的存在，兩者之間存在著一定的有機(jī)聯(lián)系，它們同時(shí)存在，相輔相成又相互制約。為此，戴為志等[4]人利用能量守恒及轉(zhuǎn)換定理大膽的假設(shè)了一焊接變形理論，假設(shè)一焊接構(gòu)件通過(guò)焊接加工獲得總能量為E總=1，焊接變形所需能量為Eε，焊接殘余應(yīng)力所耗能量為Εσ，焊縫冶金反應(yīng)所用能量為E有，焊接中能量損失為E損（包括傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射等能量損失），根據(jù)這一焊接理論焊接過(guò)程的能量結(jié)構(gòu)可用式（1）表達(dá)：

從式（1）可以看出在相同條件下，E有和E損是固定不變的，焊接過(guò)程中要控制焊接變形，即降低焊接變形能量Eε，就必須增大構(gòu)件中焊接殘余應(yīng)力能量Εσ，而焊接殘余應(yīng)力是焊接變形的根本原因。因此，要控制焊接變形，必須在焊接殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)化成焊接變形前將其釋放或者轉(zhuǎn)化成平衡的約束應(yīng)力[3]。

根據(jù)式（1）可以轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

從上式中可以看出，當(dāng)E總減小，E損增加時(shí)，焊接構(gòu)件的變形趨勢(shì)將減小，因此，可以根據(jù)上式對(duì)焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化：增加前后端板組的剛性，采用合理焊接順序，適當(dāng)降低焊接熱能的輸入即采用小規(guī)范電流進(jìn)行焊接及減小焊腳尺寸，及適當(dāng)增大保護(hù)氣體的流量等[5-7]。焊接工藝改進(jìn)后，端板組的焊接變形得到較好的控制，焊后校正的時(shí)間縮短至30 min以內(nèi)。

工藝改進(jìn)前，端板組焊接沒(méi)有明確的焊接順序，工藝參數(shù)范圍較寬，焊接時(shí)波動(dòng)較大，聯(lián)系焊縫的焊腳尺寸設(shè)計(jì)不合理，此外沒(méi)有焊后消除應(yīng)力的措施等。端板組焊后變形大，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙的平面度要求，焊后需要較時(shí)間的?；?，工作效率低。因此，在工藝流程改進(jìn)的基礎(chǔ)對(duì)焊接的工藝進(jìn)行優(yōu)化顯得尤為重要。具體工藝措施有：

1）增加端板組的剛性：端板組由筋板組和端板組成，在端板組的制作過(guò)程中將其分為筋板組組對(duì)焊接和筋板組與端板的組對(duì)焊接。與端板組的整體組對(duì)焊接相比，端板組分開(kāi)組對(duì)焊接將大大降低端板組的焊接變形。根據(jù)式（1），在焊接工藝相同的情況下，即總輸入能量E總一樣，端板組的分開(kāi)組焊將使E損增加，而E有不變勢(shì)必會(huì)使Eε和Εσ之和減小，從而降低了端板組焊接變形趨勢(shì)[3]。

前、后端板組組裝后將其背靠背用螺栓及鋼夾裝夾固定，工藝改進(jìn)前，用與固定前、后端板組的螺栓和鋼夾分別為12個(gè)及6個(gè)，如圖4（a），從圖中可以看出，A、B、C、D四個(gè)區(qū)域仍然存在較大的自由度，工件自由度較大，工件在焊接過(guò)程中可以自由收縮，Εσ較小，根據(jù)焊接變形理論式（2）可知，Eε就會(huì)增大，為此，對(duì)前、后端板組的剛性進(jìn)行加強(qiáng)，螺栓及鋼夾提升至18個(gè)和12個(gè)，如圖4（b），增加了前后端板組的剛性，減小端板組焊接變形的趨勢(shì)。前后端板組焊接完之后必須冷卻3～4 h，超聲波去應(yīng)力后方能卸去前后端板組上的螺栓及鋼板夾，然后進(jìn)入下一道工序。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖4 工藝改進(jìn)前后端板組剛性固定形式

2）遵照先焊接短焊縫再焊長(zhǎng)焊縫，先焊縱焊縫，再焊橫焊縫的原則，采用從中間分段退焊、對(duì)稱施焊的方法，由中間向四周推進(jìn)交錯(cuò)焊接，嚴(yán)格控制線能量的輸入，避免焊接過(guò)程中的熱量集中，減少焊接變形。

3）優(yōu)化焊接參數(shù)：采用富氬氣體保護(hù)焊，端板焊接時(shí)采用斷續(xù)焊，從中間向四周退焊，適當(dāng)降低聯(lián)系焊縫的焊角尺寸，增大保護(hù)氣體流量，降低焊接電流減小熱能輸入，組對(duì)采用定位焊，縫長(zhǎng)20 mm，間距200～400 mm，具體焊接參數(shù)如表1.

表1 焊接工藝參數(shù)

4）振動(dòng)時(shí)效去應(yīng)力：振動(dòng)時(shí)效是通過(guò)振動(dòng)，使工件內(nèi)部殘余的應(yīng)力和附加的振動(dòng)應(yīng)力的矢量和達(dá)到超過(guò)材料屈服強(qiáng)度的時(shí)候，使材料發(fā)生微量的塑性變形，從而降低和均化工件內(nèi)的殘余應(yīng)力，使尺寸精度獲得穩(wěn)定的一種方法。前后端板組焊后利用超聲波對(duì)圖3所示的主要應(yīng)力集中焊縫進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效去應(yīng)力，以消除或降低端板組焊后殘余應(yīng)力。

4 結(jié)果與分析

根據(jù)上述分析與討論可以將混凝土攪拌站主機(jī)端板組的制作工藝分為三個(gè)階段：第一階段工藝改進(jìn)前，第二階段工藝流程改進(jìn)，第三階段焊接工藝改進(jìn)。表2為三個(gè)階段的數(shù)據(jù)列表。

表2 端板組制作工藝改進(jìn)三階段

從表2中可以看出工藝改進(jìn)前，端板組由于前面各道工序變形的積累，使焊后變形較大且分布面積較廣，前后端板組?；饡r(shí)間需3～4小時(shí)/人，嚴(yán)重影響整個(gè)缸體制作的節(jié)拍時(shí)間，致使該工位成為攪拌設(shè)備缸體產(chǎn)能提升的瓶頸；工藝流程優(yōu)化后及端板下料后校平工序的加入，明顯減小了端板組焊后的變形量及變形面積，?；饡r(shí)間大大縮短，在此基礎(chǔ)上對(duì)端板組焊接工藝進(jìn)行改善優(yōu)化，焊后的端板進(jìn)行平面度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)端板的平面度得到了顯著的改善，變形區(qū)域只集中與兩側(cè)支腿部位，端板的整體平面度都在2 mm以內(nèi)。前后端板的?；饡r(shí)間縮短為30 min以內(nèi)，從而使得主機(jī)缸體的制造時(shí)間大大縮短，效率提高。圖6是端板焊后平面度及校火部位。

圖6 端板組焊后平面度以及?；饏^(qū)域

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析主機(jī)端板組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及焊接變形原因，優(yōu)化端板組制作的工藝流程及焊接工藝。實(shí)踐證明，混凝土攪拌站主機(jī)端板組工藝的改進(jìn)后，端板組的焊接變形明顯減小，焊后校正的時(shí)間從3～4 h縮短至0.5 h之內(nèi)，提高了工效，減小了端板組制作節(jié)拍時(shí)間。