支架底板焊接變形的分析與控制

摘 要：文章從支架的結構入手，對其工作應力分布及焊接過程中容易出現的變形問題進行了詳細的分析，并制定了合理可行的控制方案，成功地攻克了這一困擾某公司焊接生產多年的技術難題。

關鍵詞：彎曲變形；工作應力；焊趾；焊接線能量；焊接順序

1 前言

支架是某公司一民用產品整體結構中非常重要的零件，起關鍵的支撐作用，因此要求支架必需具有良好的剛度與強度。在前期的支架焊接生產過程中，容易在底板處產生彎曲變形，最大變形處達到了5mm，造成加工后底板的有效厚度變小，影響了整個支架的剛度與強度，進而影響到產品的使用性能。

2 結構簡介

支架屬于典型的框式架體結構，主要由左、右側板及頂板、底板組成（見圖1），其主要焊接量集中于左、右側板與底板的焊接上，而在產品使用時底板處為主要受力部位。

3 工作應力分布

從圖2中可以看出，支架底板處的焊縫包括內側焊縫和外側焊縫兩部分，其中內側焊縫為對接坡口焊縫和角焊縫，外側焊縫為對接坡口焊縫。

3.1 內側角焊縫的工作應力分布

由底板與側板形成的角焊縫，在焊接時，由于焊縫收縮，造成應力分布很不均勻，在角焊縫的根部和焊趾處都有很大程度的應力集中。研究表明，焊趾處的應力集中系數隨角焊縫的形狀尺寸改變而變化。具體來說，焊趾處的應力集中系數隨焊趾角度θ的減小而減小，隨焊腳尺寸L的增大而減小。

3.2 內側焊縫與外側焊縫對接接頭的工作應力分布

對接接頭的受力狀態較好，應力集中程度較小。對接接頭的應力集中主要是由于焊縫金屬的余高引起的，余高愈大，應力集中程度愈嚴重。

4 產生變形的原因

引起底板產生彎曲變形的因素很多，主要有以下三個方面：

4.1 結構設計不合理

底板與側板之間的連接設計不太完善。第一，外部對接焊縫的余高過大，造成焊縫處應力集中；第二是底板與側板之間的存在間隙；第三，內側角焊縫的形狀尺寸分配不合理，主要是焊趾角度θ過大以及焊腳尺寸L過小。

4.2 沒有有效的工藝控制手段

焊接方法、焊接順序、焊接方向、焊接線能量、焊接殘余應力等因素的控制對于防止焊接變形是非常重要的。在以往的生產中，采用焊條電弧焊的焊接方法，焊接順序和焊接方向沒有嚴格規定，焊接線能量較大，焊接殘余應力沒有得到有效消除，這樣造成焊縫收縮較大，焊縫處應力分布不均勻，引起底板產生彎曲變形。

4.3 剛性固定強度不足

支架側板之間的輔助裝置強度不足。在支架焊接前，為防止支架底板產生彎曲變形，在支架兩側板之間設置了輔助工藝拉筋，焊接后對支架整體進行熱時效處理時，因溫度較高，容易使拉筋先發生收縮變形，剛性固定失效，造成兩側板向內收縮，使底板產生彎曲變形。

5 控制變形的措施

針對底板產生彎曲變形的原因，為控制變形，采取措施如下：

5.1 改善結構

第一，改變原有的產品結構，使底板與側板之間的外側焊縫余高減小，稍有余高即可；第二，嚴格控制側板和底板的尺寸精度，減小底板連接處的間隙；第三，改變底板與側板之間的內側角焊縫的焊趾角度θ與焊趾長度L，減小焊趾角度θ為20～30°，盡量增大焊趾長度L，避免因結構問題造成應力集中，使焊縫處應力變小，從而減小底板變形。

5.2 優化工藝

對于支架的焊接而言，為防止底板產生變形，在焊接方法上采用能量比較集中的氣體保護焊替代焊條電弧焊；采取按圖3所示的焊接順序1、2、…、14、15進行焊接，要求雙人同時沿同一方向對稱施焊；在焊接線能量控制方面，在保證焊接質量的前提下，盡量采用較小的電流、電壓和較快的焊接速度進行焊接，并且嚴格控制工件局部不得過熱；通過采取振動時效處理和熱時效處理兩種方法減小工件內部殘余應力。通過采取以上措施，可以有效減小底板焊縫處的焊接應力，降低焊接熱輸入，從而減小底板變形。

5.3 增加輔助裝置，保證剛性固定的強度

首先通過兩側板的孔在支架上增加焊接輔助緊固裝置（見圖4），通過中間支撐套筒將兩側板頂住，在外側緊固，防止焊接時兩側板向內收縮；另外通過設置拉筋時考慮到強度的要求，選用Φ50mm的圓鋼代替Φ40mm的圓鋼作為拉筋，在左、右側板之間設置拉筋，并且在底板處加設拉筋，這樣就提高了拉筋的強度，可以避免因拉筋受熱收縮而引起的底板變形。

6 結束語

通過所制定的方案在生產中的應用之后，經過多門支架的焊接，支架底板的變形已控制在0.5mm之內，超出了預期的目標，保證了支架的整體使用性能，攻克了多年來困擾支架焊接生產的難題，避免了因反復校正對生產周期和加工精度的影響，保證了某公司民品任務的順利完成。

參考文獻

[1]孟曉輝.液壓支架頂梁焊接變形控制研究[Z].2012.

作者簡介：

李輝，齊齊哈爾市特種設備檢驗研究所，高級工程師。

劉海歐，齊齊哈爾北方機器有限責任公司，高級工程師。

關鵬，齊齊哈爾北方機器有限責任公司，正高級工程師。