唐家偉

（北京礦冶研究總院固安機(jī)械有限公司，河北廊坊 065500）

0 引言

焊接變形和應(yīng)力控制是焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制造的重要課題，是影響焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完整性、制造工藝合理性和結(jié)構(gòu)使用可靠性的關(guān)鍵因素［1］，這對(duì)于承受較大靜、動(dòng)負(fù)荷的大型浮選機(jī)定子焊接結(jié)構(gòu)骨架尤為重要。焊接變形是焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制造過程中的普遍現(xiàn)象，必須經(jīng)過焊接反變形或矯正才能滿足焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用要求［2］。選擇合理的焊接順序和焊接條件也是控制焊接變形的主要手段。合理的焊接順序，焊前反變形方法和火焰矯正是焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)矯正焊接變形最常用的方法［3］。這3 種方法經(jīng)驗(yàn)性都比較強(qiáng)，目前很少有以工藝試驗(yàn)方法對(duì)大型浮選機(jī)定子焊接結(jié)構(gòu)骨架進(jìn)行焊接變形控制的研究，所以本文的研究對(duì)于定子焊接骨架的工業(yè)制造具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義。

在定子焊接骨架制造過程中發(fā)現(xiàn)不同的焊接順序和反變形方法對(duì)定子焊接骨架的變形都有不同程度的影響。本文通過工藝試驗(yàn)找出合理的預(yù)留反變形量和焊接順序來控制定子的焊接變形，通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)直觀地指導(dǎo)工人生產(chǎn)，節(jié)約反復(fù)校型的生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

1 定子焊接骨架焊接過程的試驗(yàn)研究

1.1 試件的選取及制備過程

本文研究的定子焊接骨架是底盤和24件葉片組成，定子焊接骨架外直徑／內(nèi)直徑：2255 mm／ 1745 mm，整體高度：731 mm。底板厚度為30 mm的Q345B鋼板，葉片為厚度為20 mm的Q345B鋼板，其鋼材化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1 和表2 所示［4］，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

表1 Q345B級(jí)鋼板主要化學(xué)成分Tab.1 Main chemical constituents of Q345B steel plate

表2 Q345B級(jí)鋼板的力學(xué)特性Tab.2 Mechanical properties of Q345B steel plate

本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是考察定子焊接骨架的彎曲變形，所以結(jié)合定子焊接骨架的特點(diǎn)取其一片作為考察的試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行研究。通過研究1 片葉片與底盤的焊接彎曲變形來推測(cè)整個(gè)定子的彎曲變形趨勢(shì)，再根據(jù)定子焊接骨架的彎曲趨勢(shì)進(jìn)行反變形設(shè)計(jì)，最終達(dá)到焊接變形控制。

從圖1中可以看出，葉片與底盤的接頭形式為T型接頭。而葉片設(shè)計(jì)成K型坡口，坡口尺寸為：8 ×45°，焊腳尺寸：15 mm。為了易于試件的制備，本文用T型接頭工藝評(píng)定試件來代替葉片與底盤的焊接接頭形式，長(zhǎng)度為300 mm，高300 mm，具體如圖2所示。

圖1 定子骨架的三維示意圖Fig.1 3D schematic diagram of stator frame

圖2 葉片T型接頭Fig.2 Diagram of blade T－shaped welded joint

T型試件主要采用OTC－EP500 MAG焊機(jī)焊接，主要焊接參數(shù)為：焊接電流240 A，焊接電壓22 V，焊接速度35 cm／ min，多層多道焊接。焊縫主要受縱向收縮應(yīng)力和橫向收縮應(yīng)力，其收縮應(yīng)力能使構(gòu)件發(fā)生變形。根據(jù)構(gòu)件縱向焊縫引起的彎曲撓度的計(jì)算，可按照下式進(jìn)行［5］：

式中：f為構(gòu)件撓度；e為焊縫中心到截面中性軸的距離；qv為焊接線能量，L為構(gòu)件長(zhǎng)度；I為截面慣性矩。

經(jīng)計(jì)算得f＝0.00337 mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)縱向焊縫收縮引起的彎曲撓度在直徑為2255 mm的圓環(huán)上的應(yīng)變可以忽略不記，但是在底盤上存在縱向收縮的殘余應(yīng)力。

根據(jù)焊接經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果可以判斷，定子骨架焊接變形主要是T 型接頭焊縫橫向收縮變形引起的，為了避免工人操作影響，本實(shí)驗(yàn)組織了3 人共計(jì)12 組試件，在每件試件上取9 組，共計(jì)108 組寬25 mm的試樣，試件部分取樣如圖3 所示。

圖3 T型接頭取樣試件Fig.3 T－joint sampling specimen

1.2 試件焊接變形的測(cè)量和結(jié)果

由于本試驗(yàn)重點(diǎn)分析T 型焊縫橫向收縮引起的彎曲變形，所以主要測(cè)量T型接頭的翼板彎曲角度（采用JL820 高精度計(jì)量級(jí)數(shù)顯傾角儀測(cè)量，分辨率：0.001°）。其中焊縫橫向收縮量與彎曲變形角度有一定經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，可參照下列經(jīng)驗(yàn)公式粗略估算［6］：

式中：SH為翼緣對(duì)構(gòu)件水平中性軸的靜距；c為參數(shù)（多層焊時(shí)，c＝0.6）；t為翼板板厚；K為焊腳尺寸。

經(jīng)計(jì)算理論值約0.15°，而實(shí)際測(cè)量角度如表3 所示。由表可知，12 組108 件試樣的實(shí)測(cè)值約為0.24°，比理論計(jì)算值大37.5%，實(shí)際角度大了0.09°。單一差值0.09°對(duì)于本實(shí)驗(yàn)的試件來說幾乎可以忽略，但是24 件T型角接頭彎曲角累計(jì)誤差為2.16°，此角度就能很明顯地造成底盤內(nèi)環(huán)向上凸，形成類正圓臺(tái)結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果。

表3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test results

從試件的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果得知，長(zhǎng)300 mm 的T 型角接頭起始端和終止端角度變化幾乎不變，焊接采用直道多層角焊接對(duì)本試驗(yàn)的橫向收縮角變形的影響幾乎可以忽略（注：底盤厚度30 mm，未考慮K型坡口焊接順序?qū)Ω拱宓挠绊懀?/p>

2 焊接試件反變形量的分析與確定

葉片結(jié)構(gòu)焊接變形的測(cè)量和預(yù)測(cè)的目的是為了有效控制定子骨架焊接變形。為了便于在生產(chǎn)實(shí)踐中操作，預(yù)先計(jì)算或估算出反變形量，即預(yù)先在焊接變形的相反方向施加一定的變形量，以達(dá)到減少和消除焊接變形。

為了確定反變形量，本文采用如圖4所示的單葉片結(jié)構(gòu)的焊接模擬試件。焊接參數(shù)如下：焊接電流為240 A，焊接電壓22 V，焊接速度30 cm／ min，焊角采用多層多道焊。根據(jù)本文的測(cè)試結(jié)果可知焊縫橫向收縮角變形量為0.24°。本文采用500 t 的雙缸液壓折彎?rùn)C(jī)對(duì)單葉片結(jié)構(gòu)翼板進(jìn)行預(yù)彎，折彎刀的壓頭半徑為5 mm，下角度分別為179.5°、179°、178.5°、178°。每組各3件焊接試件，合計(jì)為4組共計(jì)12件；試件實(shí)際折彎角度測(cè)量結(jié)果如表4所示。從表中可以看出折彎后翼板有0.2°左右的回彈量，最小變形角度為0.2°，最大為1.8°。

表4 翼板折彎角度測(cè)量Tab.4 Flat bending Angle measuring meter

圖4 單片葉片的焊接Fig.4 Welding diagram of single blade

對(duì)制作好的單片葉片結(jié)構(gòu)按照組別及技術(shù)要求進(jìn)行鉚裝，依照要求的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，其中要求試件保持自用約束狀態(tài)。冷卻后分別測(cè)得各焊接試件的角變形量，具體如表5所示。

表5 焊接后翼板殘余角變形量Tab.5 Residual angular deformation of wing plate after welding

從實(shí)際測(cè)試結(jié)果來看，翼板反變形為179.5°，焊后翼板殘余角變形小于0.02°，基本滿足反變形工業(yè)要求。即定子骨架底板每個(gè)葉片的鉚裝位置預(yù)壓角變形為179.5°可以作為工業(yè)生產(chǎn)預(yù)反變形操作。由于定子骨架底板為直徑2255 ／ 1755 mm的圓環(huán)，預(yù)變形后圓環(huán)變成類正圓錐管狀，內(nèi)側(cè)上翹約19 mm，即底板成錐狀。其反變形后的形狀對(duì)定子裝配提出了難題。為解決裝配難題，設(shè)計(jì)了預(yù)定位裝配專用工裝，不僅能保證葉片裝配位置，而且能防止焊接過程中定子骨架發(fā)生扭曲變形，保證片上端在同一個(gè)平面上。

3 定子骨架焊接焊接過程及分析應(yīng)用

定子骨架由24 件葉片組成，焊接順序采用兩人“十字對(duì)稱” 焊接進(jìn)行［7］，按照制定的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。冷卻后，打開工裝對(duì)定子骨架進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)先焊接的葉片頂端尺寸小約5 mm，后焊接的葉片頂端尺寸大約3～4 mm。隨后對(duì)葉片焊接位置的底板進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)：第1組焊接的葉片底板殘余角變形約為0.03°，第2～8組焊接的葉片底板角變形小于0.02°，第9～12組葉片底板角變形量為－0.01°，不平面度約為2 mm。

從測(cè)試結(jié)果來看定子在整體焊接后，焊接變形量明顯減小，尤其是中間幾組的焊接變形量控制的非常好，焊后變形量基本上接近工藝設(shè)計(jì)公差，也和理論試驗(yàn)值相差無幾。根據(jù)底板的測(cè)量結(jié)果來看，先焊接的預(yù)變形量有點(diǎn)大，后焊接的預(yù)變形量有點(diǎn)小，即整個(gè)定子骨架不同葉片位置的焊接底板變形不均勻。在隨后的工業(yè)制作過程中，在預(yù)定位裝配專用工裝上曾加預(yù)支緊量和拉緊力量來克服焊接變形的不均一性，來達(dá)到反變形控制的要求，具體工件實(shí)物如圖5 所示。

圖5 定子骨架實(shí)物Fig.5 Physical picture of stator skeleton

與傳統(tǒng)火焰矯形、機(jī)械矯形相比，采用預(yù)留反變形法可將焊接變形量控制在允許的范圍內(nèi)，能節(jié)省繁瑣的焊后矯正工序。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的目的是為定子骨架的焊接變形尋找一種簡(jiǎn)便有效的工業(yè)反變形控制方法，制定詳細(xì)的實(shí)際生產(chǎn)工藝，具體結(jié)論如下。

（1）通過模擬葉片焊接試驗(yàn)，得出翼板高度超過300 mm，構(gòu)件縱向焊縫引起的彎曲撓度為f＝0.00337 mm，可以忽略不計(jì)，和葉片試驗(yàn)的結(jié)論一致。

（2）T型角接頭焊接試驗(yàn)得出焊縫橫向收縮量產(chǎn)生彎曲變形角度實(shí)際值比理論值大約37.5%，可以指導(dǎo)定子骨架焊接反變形量的確定。

（3）通過工業(yè)試驗(yàn)確定了定子底板反變形角度為179.5°，主要焊接工藝參數(shù)：焊接電流240 A，焊接電壓22 V，焊接速度35 cm／ min，焊接順序采用十字對(duì)稱焊接。

綜上所述，該工業(yè)試驗(yàn)確定了定子骨架的焊接變形量，確定了生產(chǎn)工藝，該工藝不僅方法簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)合理，而且大大減輕了焊后調(diào)形的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工人勞動(dòng)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。