卡車車架縱梁的焊接變形控制

同濟大學 （上海 200092） 關巨程

一汽解放汽車有限公司 （吉林長春 130011） 聞興旺

1.概述

焊接變形是焊接結構生產制造中不可避免的工藝問題，不但會造成焊接結構件在焊接后形狀和尺寸的改變，影響結構尺寸的準確性，還會造成焊件在裝配過程中與其他誤差發生耦合、積累和傳播，形成焊接制造的綜合偏差。同時，也會降低焊接結構的承載能力和使用壽命，引起事故。因此，減小焊件的焊接變形是制定焊接工藝主要內容之一。

卡車車架是載重汽車的主要承載構件，發動機、轉向系統、傳動系統、制動系統等主要零部件都通過裝配孔與車架連接。縱梁是構成卡車車架的主要部件，目前國內輕型車車架縱梁采用焊接方式生產已得到較廣泛的應用，而在載重車車架的內外縱梁采用焊接的方式合成還是一種較新的工藝方法。車架縱梁焊接引起的變形會導致車架側彎的發生，嚴重的車架側彎會影響到汽車的行駛安全。因此，控制車架縱梁的焊接變形具有非常重要的意義。

2.車架縱梁的焊接變形分析

（1）縱梁結構及技術要求 某型車架縱梁采用數控打孔、沖壓成形工藝，由左、右兩個內外板焊接成狹長的薄板箱型梁結構，內板和外板之間用支撐限位板定型，圖1為卡車車架縱梁簡圖。

圖1 卡車車架縱梁簡圖

卡車車架在裝配時，要求縱梁總成保持的精度：

第一，縱梁總成后關鍵尺寸公差要求：縱梁長度以及翼面高度等尺寸公差均為2mm。

第二，縱梁總成后允許變形量：變形量應控制在3mm之內，縱梁前左、前右或后左、后右應為同向偏差且≤1/1000（或同為上翹或下翹）。

第三，縱梁總成后幾何公差要求：內外縱梁焊接后的總成，其對應孔同軸度公差為φ0.8mm；縱梁腹面直線度為0.5/500，7.285m長范圍內平面度偏差≤3mm。

第四，接頭形式及焊縫質量要求：接頭形式主要為搭接接頭，焊縫與母材應圓滑過渡，焊縫及熱影響區表面不得有裂紋、未熔合、氣孔、夾渣及深度＞0.3mm的咬邊等缺陷。

按工藝設計要求，車架縱梁總成的兩條直線焊縫總長達到2m×7.285m，由于焊縫長，發熱量大，焊接變形很難控制，導致車架縱梁焊接后總成精度不能達到設計要求，因此需要通過采用多種措施來減少焊接的變形量。

（2）縱梁焊接變形原因 車架縱梁產生變形主要有側彎和扭轉，其產生變形的原因主要有：

第一，縱梁焊接后的側彎變形：主要是由彈性變形和焊接順序不當引起的焊接變形。車架縱梁是在夾具剛性固定下焊接的，焊接過程中不會產生明顯的焊接變形。但焊接發生塑性變形時，往往還有部分彈性變形存在。在剛性固定狀態下施焊時，則彈性變形儲存于結構中，當焊接后卸下工件或冷卻恢復到均勻狀態時，存在于結構中的彈性變形就釋放出來，引起了焊接變形，使焊接結構的形狀、尺寸發生變化。

其原因分析如下：

一是焊接順序不當或焊接參數偏大引起的焊接變形。在焊接過程中，不同的焊接順序引起的焊接變形差別較大。如果在車架縱梁縱縫焊接過程中，采用從一端連續焊接到另一端的直通焊施焊法，那焊接變形就要比分段跳焊產生的焊接變形大得多。

二是裝配間隙過大引起的變形。汽車車架焊接時，零件之間的間隙過大致使焊縫金屬量增加，將會引起較大的焊接變形。

第二，縱梁焊接后的扭轉變形。對于車架縱梁來說，產生扭轉變形的主要原因是裝配不良、夾緊的橫向受力不均衡和施焊程序不合理，致使焊縫縱向收縮和橫向收縮沒有一定規律造成的。對產生扭轉變形的部位要調整對應夾緊板的位置，主要是通過固定裝夾一側加減墊片的方法進行調整。對于扭轉變形的縱梁，很難用機械的方法進行校正。

3.減小縱梁焊接變形工藝措施

卡車車架縱梁生產主要采用設計專用焊接夾具、預置反變形量、合理選擇焊接順序和選用脈沖焊接方式等工藝措施來減小焊接應力和控制焊接變形。

（1）專用焊接夾具設計 車架縱梁焊接夾具的設計目標是開發出一種模塊化可調整焊裝夾具，是利用外加剛性約束方法來減小縱梁的焊接變形。

縱梁焊接專用夾具設計制造要求如下：

第一，焊接夾具采用模塊化可重構結構設計和制造：模塊化結構可以適應不同長度的縱梁需要；模塊分別加工，在現場進行組裝調整，組裝完成后夾具整體平面度誤差≤2/1000mm。

第二，夾具定位和夾緊機構采用柔性結構，可通過機構進行調整；定位機構采用可拆卸模塊方式以適應縱梁的定位，并具有三維可調整功能，以滿足不同車型縱梁的定位合成與焊接。

第三，焊接夾具有完備的反變形機構和功能，反變形機構能夠進行精確調整，調整量可直接讀數或間接獲取，反變形量可自由調整；具有控制縱梁開口寬度功能，當縱梁開口偏大時可以進行校正，以保證焊縫均勻。

第四，縱梁腹面采用多點支撐與壓緊控制：縱梁整體焊接后變形量是由縱梁的各個小區段變形量疊加積累形成的。在每個小區段上都設置能夠使車架縱梁在該區段上反變形的機構，就可以控制車架縱梁整體焊接后的變形量，縱梁腹面小區段支撐點和壓緊點越多對控制變形越有利。

第五，縱梁兩翼面要全接觸面壓緊控制：對縱梁兩翼面全接觸面壓緊控制可以起到如下作用：①消除車架內外縱梁間的裝配間隙，節省焊接時間，減少不必要的焊接熱量輸入。②輸入縱梁的一部分焊接熱量可以很快導入夾具的夾緊塊，加快縱梁制件散熱。③可以矯正控制車架縱梁在Z方向上的焊接變形。

第六，保證夾具各組成結構具有足夠的剛性和可調整性：由于載重卡車車架縱梁的板厚一般在6mm以上，其橫斷面尺寸在245mm×80mm左右，需要施加很大的矯形力才能產生反變形，因此夾具本體及各個矯形機構都要有很大的強度和剛性。另外，引起縱梁焊接變形的因素很多，也很難預先計算出焊接后的變形量，需要在生產時進行多次試驗調整，找出合理數據。因此，夾具各種機構要有靈活的可調整性。

縱梁焊接專用夾具主要由夾緊機構、定位機構和夾具基礎板組成，如圖2所示。

圖2 縱梁焊接專用夾具

夾緊機構主要有支撐件、中間過渡件調整件、連接件、夾緊件組成；定位機構主要由定位件、水平與垂直調整件、連接板組成；夾具基礎板主要有水平和垂直調節機構、調節板等。

（2）預置反變形量 車架縱梁專用夾具是利用反變形原理實現減小縱梁焊接變形的目的。縱梁焊接反變形是在焊接前，估算出縱梁變形的大小和方向，預置人為的變形，其方向與焊接引起的變形相反，則焊后縱梁的變形與預置的變形可相互抵消，達到減小縱梁焊接變形的目的。預置反變形量位置如圖3所示。圖4為部分定位、夾緊點的設置。

圖3 縱梁上預置反變形量位置

圖4 定位、加緊點設置

（3）焊接順序 焊接順序對焊接結構的變形也有很大影響。為便于控制焊接變形，盡量采用對稱焊接，以使焊縫引起的變形相互抵消。焊縫不對稱的，先焊焊縫少的一側，因為焊縫越長，變形越大，先焊焊縫少的一側，可以增大焊縫多的一側焊件的結構剛度和反變形能力。

第一，焊接順序的選擇：按照縱梁生產工藝要求，焊接分為點固焊、分段跳焊等工序。首先為點固焊，焊點尺寸10～20mm，間隔500mm，主要作用是完成內外板的定位；其次為分段跳焊，焊縫長150mm，間隔150mm；最后對余下的間隔部分施焊，形成縱梁完整的焊縫。以上各工序中均由兩名操作工在縱梁兩側，從兩端開始相向對稱施焊，如圖5所示。

圖5 縱梁焊接順序

除圖5中所表示的焊接順序之外，還可以采用由中間向兩側均勻焊接等方式。

第二，焊接方法及設備的選擇：選擇熱輸入量較小的CO2氣體保護焊，采用人工焊接。選擇脈沖焊機，由于采用有效的峰值電流來熔化金屬，可以有效地減少焊接熱輸入量，同時減少了焊接變形。具體焊接參數為：焊接電流200A，電弧電壓25V，焊接速度8mm/s。

使用同一套夾具，采用相同的從兩端分別對稱向中間施焊的焊接順序，不同的工藝參數下縱梁焊接變形的差別很大。方案一采用φ1.0mm的焊絲，焊接電流150A，斷續焊長度100mm；方案二用φ1.2mm的焊絲，焊接電流240A，斷續焊長度200mm，從測量結果上可知方案二的變形量是方案一變形量的兩倍。

4.結語

車架縱梁焊接變形是生產制造過程中不可避免的問題，只有采取合理的焊接工藝措施來控制焊接變形，才能達到車架縱梁的制造精度及使用性能的要求。

車架縱梁焊接變形可以依靠增加剛性約束、預置反變形量和選擇合理的焊接順序等工藝措施進行有效控制。實際生產中，只有對焊接進行全過程控制，才能更有效控制車架縱梁的焊接變形，達到保證車架縱梁的尺寸精度和裝配要求的目的。（20131120）