于前, 吳香清, 胡妞

（中聯(lián)重科股份有限公司，長沙 410013）

0 引言

箱型結(jié)構(gòu)是工程機械焊接結(jié)構(gòu)件中最常用的結(jié)構(gòu)，大型箱體結(jié)構(gòu)焊接后焊縫縱向收縮、橫向收縮以及撓曲不可避免，這些變形是結(jié)構(gòu)件在焊接生產(chǎn)中最常出現(xiàn)的問題。焊縫金屬在焊接冶煉過程中，焊接熱輸入將引起工件不穩(wěn)定、不均勻的溫度場，同時由于焊縫母材受到焊接工裝等外部約束作用，近焊縫區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力。當(dāng)焊縫的縱向收縮產(chǎn)生的壓應(yīng)力達到臨界失穩(wěn)應(yīng)力時，將發(fā)生失穩(wěn)的焊接變形[1-2]。長箱形結(jié)構(gòu)箱體焊接變形后不僅影響外觀形狀、降低裝配質(zhì)量，引起干涉，且箱體結(jié)構(gòu)變形后無法通過機械矯正消除，只能通過打磨蓋板等來消除干涉，給生產(chǎn)帶來了極大的困擾和額外的返修工作量[3]。變形嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)無法使用，只能報廢，造成生產(chǎn)浪費。因此，研究長箱形結(jié)構(gòu)箱體焊接變形控制方法顯得極為重要。

1 長箱形結(jié)構(gòu)箱體結(jié)構(gòu)介紹

本文主要研究泵車支腿上使用的長箱形結(jié)構(gòu)箱體焊接變形，其箱體主要是由4塊高強鋼板材拼焊組成，包含左腹板、右腹板、上蓋板及下蓋板，如圖1所示。

圖1 長箱形結(jié)構(gòu)箱體結(jié)構(gòu)示意圖

2 長箱形結(jié)構(gòu)箱體變形原因分析

2.1 來料精度

組成箱體結(jié)構(gòu)腹板是焊接組件，自身尺寸受對接焊影響，精度較差。左右腹板都是先單獨銑邊，再對接組焊而成，拼焊后發(fā)生變形，引起腹板直線度大于1 mm。將蓋板與腹板組成箱體時，腹板上拱部分將蓋板頂起，下凹部分使上、下蓋板與腹板的貼合間隙大于1 mm，這些間隙較大，難處理，焊后對收縮力抵抗較差，將引起箱體收縮變形。

上、下蓋板平面度差，會導(dǎo)致組箱后蓋板凹陷位置與腹板連接處出現(xiàn)間隙，間隙位置受焊后收縮力影響，容易使箱體發(fā)生變形（類似于腹板直線度引起的變形）。

2.2 剛度及約束度

焊件剛度和約束度對焊接應(yīng)力和變形影響較大[4]，剛度越大，焊接變形越小，殘余應(yīng)力越大；剛度越小，焊接變形越大，殘余應(yīng)力越小。剛度是焊件本身具有的抵抗變形的能力，它與結(jié)構(gòu)件截面慣性矩和母材的屈服極限相關(guān)，構(gòu)建截面慣性矩越大，剛度越?。荒覆那O限越大，構(gòu)件的剛度越大，反之則剛度越小。因此長箱形結(jié)構(gòu)箱體所選用母材材質(zhì)強度越高，越有利于減少變形。

圖2 長箱形結(jié)構(gòu)箱體腹板直線度差導(dǎo)致變形

拘束度是指焊接構(gòu)件以外的外部物體對構(gòu)件的約束程度。拘束度越大焊接區(qū)域金屬無法自由熱膨脹，壓縮塑性變形小，焊接變形小。長箱形結(jié)構(gòu)箱體腹板與蓋板之間無其余結(jié)構(gòu)件約束，擺搭完成后轉(zhuǎn)入箱體外側(cè)4條主焊縫焊接工序，箱體外焊縫較長，熱輸入大，焊后收縮無外力拘束，焊后變形較大。

2.3 熱輸入

焊接變形主要是因結(jié)構(gòu)件在焊接過程中受熱不均、冷卻收縮引起。閆俊霞等[5]結(jié)合實際試驗對焊接失穩(wěn)變形的原因進行了較為細(xì)致的分析，研究表明熱輸入是焊接變形的主要影響因素。焊接線能量是熱輸入的直接體現(xiàn)，焊接線能量越大，說明熱輸入量大，焊接變形增大。通過Tendon Force的概念[6]計算如公式F=200Q可知，單道焊接的縱向收縮力同焊接單位長度的熱輸入線能量呈正比，即熱輸入越大，焊接變形的驅(qū)動力越大。其中：F為縱向收縮力，N；Q為單位長度熱輸入，即線能量，J/cm。

長箱形結(jié)構(gòu)箱體主焊縫傳統(tǒng)焊接方式為采用4 mm打底+4 mm填充+15 mm填充蓋面（如圖3），填充蓋面單道焊接線能量相當(dāng)大，焊接縱向收縮力F相當(dāng)大，變形大。通過對改善前焊接工藝生產(chǎn)的100件長箱形結(jié)構(gòu)箱體下蓋板翹起尺寸測量，發(fā)現(xiàn)超過50%產(chǎn)品下蓋板外端翹起尺寸在1.5 ～2.5 mm，最嚴(yán)重的達3.6 mm，無法滿足質(zhì)量要求。

圖3 現(xiàn)有焊接方式

2.4 焊接返工

厚板焊接，由于坡口及焊腳尺寸大，焊縫成型時更容易產(chǎn)生氣孔、咬邊、未焊滿、外觀成型不良等焊接缺陷，這些缺陷都需要先徹底清除，并修磨出焊道后，再補焊。返工焊接缺陷的二次熱輸入相當(dāng)大，并導(dǎo)致箱體局部受熱，冷卻時局部收縮嚴(yán)重，變形量大。大部分返修工作均不在產(chǎn)線內(nèi)工裝上進行，工件返修時屬于自由狀態(tài)，并無外部約束力，因此返工對焊接變形影響非常大。

長箱形結(jié)構(gòu)在焊接時，出現(xiàn)頻次最高的是咬邊缺陷。主焊縫焊腳達12 mm，外焊縫為減少變位機翻轉(zhuǎn)次數(shù)，改善前焊接工藝是將長箱形結(jié)構(gòu)箱體平放，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夠或不及時，容易產(chǎn)生溝槽，形成咬邊，也容易產(chǎn)生焊腳不對稱等缺陷。因此減少焊縫咬邊產(chǎn)生，有利于減少焊接返工和控制箱體局部變形。

3 變形控制措施

3.1 控制來料尺寸

圖4 不同焊接位置焊接效果

對零件來料進行控制，禁止變形大于1 mm零件流入焊接崗位，將變形大于1 mm零件校正符合要求后再轉(zhuǎn)入組箱工序。

腹板焊件由2塊腹板對接而成，且留有高度余量。將腹板加工工藝由先加工零件高度余量，再對接腹板改為先對接焊2塊腹板再整體進行余量加工，控制腹板焊件直線度小于0.5 mm，減小上、下蓋板與腹板的貼合間隙，進而減少焊后箱體收縮變形。

上、下蓋板先校平，確保平面度小于0.5 mm后再組箱，減少蓋板與腹板連接處間隙，減少箱體焊后收縮變形量。

3.2 焊接工藝支撐增加約束

焊前將工裝調(diào)整到位，不宜過擠，也不宜過松，應(yīng)確保工件放入焊接工裝后在未壓緊狀態(tài)下，零件與工裝定位銷、定位塊、壓緊塊之間的間隙小于0.5 mm，避免工裝自身與零件過定位的擠壓變形，同時給與工件外部約束。

針對箱體結(jié)構(gòu)中的長直線焊縫形式，在現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上，在長箱形結(jié)構(gòu)箱體內(nèi)頭尾部焊接工藝撐固定，增加剛性固定約束，焊后24 h再割除，可減少箱體焊接過程中的扭曲變形及凹凸變形。

3.3 控制焊接熱輸入

焊接熱輸入是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件焊接變形的根本原因，控制焊接熱輸入的關(guān)鍵在于調(diào)整焊接線能量，即調(diào)整焊縫單位長度上輸入的能量。焊接線能量計算公式[7]為:q=IU/v，其中：I為焊接電流，A；U為電壓，V；v為焊接速度，cm/s；q為線能量，J/cm。線能量反映了焊接電流、電弧電壓和焊接速度三大焊接關(guān)鍵工藝參數(shù)對焊接熱循環(huán)的影響。本文設(shè)計多組試驗，通過調(diào)整電流、電壓、焊接速度來控制單道最大焊接線能量，控制焊接變形量。綜合考慮生產(chǎn)效率，采用3道焊接完成C11+12 mm角焊縫，試驗參數(shù)及變形結(jié)果如表1和圖5所示。

表1 支腿箱體焊接試驗

通過圖5可看出，第一組焊接方案為改善前焊接方式，單道焊接線能量最大，變形量達3.6 mm，優(yōu)化后，第七組焊接方案單道最大焊接線能量最小，變形量僅為0.6 mm，滿足設(shè)計要求。

圖5 長箱形結(jié)構(gòu)箱體焊接線能量/變形量關(guān)系

3.4 提升焊接質(zhì)量

通過焊前點檢焊接設(shè)備、焊槍、保護氣、焊絲等，清理焊道及附近30 mm范圍內(nèi)油污銹層，嚴(yán)格按照工藝要求焊接參數(shù)進行焊接，預(yù)防氣孔、咬邊、未焊滿等焊接缺陷產(chǎn)生。

焊縫在平焊或船型焊接位置進行焊接，可提高焊縫成型的穩(wěn)定可靠性，提高焊縫外觀合格率，減少返工。

提升長箱形結(jié)構(gòu)箱體焊縫焊接尋位及跟蹤技術(shù)。機器人焊接要實現(xiàn)穩(wěn)定的焊縫質(zhì)量，需要保證焊絲始終指向規(guī)定角度即略偏向底板1°～2°位置，在密集的電源間磁場干擾下，傳統(tǒng)的焊絲接觸尋位和電弧跟蹤，無法滿足穩(wěn)定焊接的精度要求，因此在機器人上集成激光跟蹤系統(tǒng)，并根據(jù)箱體焊縫結(jié)構(gòu)形式，調(diào)試獨有的焊接自動補償參數(shù)以確保穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。

綜上，通過控制焊前處理、焊接位置及提升長箱形結(jié)構(gòu)箱體焊縫焊接尋位和跟蹤技術(shù)，可提升焊接質(zhì)量，減少返工，從而減少焊接變形。

4 結(jié)論

研究表明，通過改善和過程工藝控制，可大幅減少箱體焊接變形量，使焊接結(jié)構(gòu)滿足質(zhì)量要求。

1）通過控制來料尺寸誤差、腹板鈍邊尺寸，優(yōu)化腹板加工工藝，可減少零件組合間隙，減小變形；

2）通過焊接工裝及焊接剛性固定支撐，增加約束，可減少一部分變形；

3）通過合理安排焊道數(shù)，調(diào)整焊接電流、電壓、焊接速度來控制熱輸入，優(yōu)化熱輸入后，單道最大焊接線能量降低到改善前的43.4%，變形量可減少83%，并穩(wěn)定在1 mm以內(nèi)，滿足質(zhì)量要求；

4）控制焊前處理、更改為船型位置焊接及提升長箱形結(jié)構(gòu)箱體焊縫焊接尋位和跟蹤技術(shù)可提高焊接質(zhì)量，減少返工，進而減少焊接變形。