大型薄壁筒體類零件焊接變形控制工藝研究

張　克

(鄭州機電工程研究所，河南 鄭州 450015)

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大型薄壁筒體類零件焊接變形控制工藝研究

張克

(鄭州機電工程研究所，河南 鄭州 450015)

摘要：研究了大型薄壁筒體類零件焊接變形控制方法，分析了薄壁筒體類零件的種類和產生焊接變形的原因；通過對薄壁筒體類零件的工藝性進行分析，提出了優化焊接順序和設計焊接工裝等2種控制零件的焊接變形的思路和方法；給出了利用焊接工件扣在工裝本體上，并通過夾緊裝置夾緊工件后采用分段焊接順序完成薄壁筒體類零件成型的工藝流程；重點舉例論述了焊接工裝需要滿足張緊和收縮、實現±180°旋轉和對工件夾緊的設計思路和方法，并對工裝進行了精度計算，為薄壁筒體類零件的工藝優化提供了技術支持。

關鍵詞：薄壁筒體；薄壁焊接；變形控制；焊接變形

大型薄壁筒體類零件主要是指厚度≤3 mm、截面尺寸≥500 mm、長度≥2 000 mm且由兩部分零件拼接而成的焊接零件。該類零件的焊接特點是壁薄，且焊縫為縱長型，同時對長度方向的直線度和腔體截面尺寸的精度要求比較高。焊接的難點是易產生彎曲或者波浪形變形，焊接不易定位等。

文獻[1]從焊接接頭論述了薄壁的焊接，沒有對控制變形進行重點說明；文獻[2-3]從設計工裝的角度進行論述，但其工裝結構對于截面>500 mm的薄壁件有很大的局限性，無法保證焊接時工件的剛度，且極易產生扭曲變形。

1零件分類和組成

1.1零件分類

在實際使用過程中，筒體類零件形狀主要可分為兩類：1)截面直徑為圓形的長筒體類零件(見圖1)；2)截面直徑為方形的長筒體類零件(見圖2)。

圖1　截面為圓形筒體

圖2　截面為方形筒體

1.2零件組成

零件組成一般是由兩部分拼焊而成，截面為圓形的零件也可以由一部分滾成圓環，然后進行拼焊。其組成分類如圖3所示。

圖3　零件截面組成分類

2焊接工藝方法

2.1工藝性分析

該類零件的成形主要是焊接成形。由于焊接屬于熱加工，焊接過程中會產生熱變形和焊縫內應力，從而對工件精度造成影響。薄壁筒體類零件由于其剛度較低，且為腔體類結構，在成形過程中不僅會產生截面尺寸收縮、變形，還會產生長度方向的凸凹不平或波浪變形；因此，該類零件的焊接工藝性較差。

2.2工藝設計思想

為了保證產品質量，控制焊接變形，需要在焊接過程中采用2種措施：1)采用分段焊接的方法，保證焊接過程中工件受力均勻；2)通過使用工裝，在焊縫處提高工件剛度，控制焊接變形。

焊接順序示意圖如圖4所示，焊接時利用斷續焊的方法進行焊接，從兩端開始向中間，同時進行分段焊接；分段焊接完成后，再從兩端開始向中間進行補焊。

圖4　焊接順序示意圖

焊接工裝示意圖如圖5所示，薄壁零件扣在工裝本體上，利用夾緊裝置夾緊，控制焊接變形。

圖5　焊接工裝示意圖

2.3工藝方法

基于上述設計思想，為了控制薄壁筒體類零件的焊接變形，其工藝方法可采用下述工藝流程：進行鈑金下料→根據成形尺寸放樣折彎→把折彎鈑金扣在工裝上→通過壓緊機構對鈑金壓緊→在接縫處分段點焊→采用分段焊接的方法進行縱縫焊接→對稱焊接另外一側縱縫→拆除壓緊機構→由兩端向中間補焊分段未焊處→對稱焊接另外一側縱縫→完成焊接后進行脫模，把工裝從筒體內抽出。

3焊接變形控制工裝設計

3.1設計思想

基于上述工藝設計思想，需要設計焊接工裝，以控制焊接變形。焊接工裝應具備如下功能：1)具有張緊和收縮功能，張緊后的截面尺寸等于薄壁件的內腔尺寸，收縮后能夠從薄壁件中抽出，便于重復利用；2)能夠實現±180°旋轉功能，以實現兩處縱縫的焊接；3)具有壓緊薄壁件的功能，薄壁件扣在工裝上后，應通過壓緊機構把零件壓緊在工裝上，以防止焊接過程中薄壁件脫落或變形；4)工件焊縫對應工裝的位置應鑲嵌銅導條，以防止焊接工件時熱熔，薄壁鋼件與工裝本體粘接。

3.2工裝結構設計舉例

經分析，該類零件應有多種結構設計方式，現以圖3c中的兩部分拼接方形零件的工裝為例進行結構設計。

焊接工裝是由工裝本體、支承架和夾緊裝置等3部分組成。使用時，工裝本體放在支承架上，薄壁零件扣在工裝本體上，通過壓緊機構把薄壁零件壓緊，然后按上述方法進行焊接。

工裝本體示意圖如圖6所示。工裝本體是由彎板、端面法蘭、支承法蘭、導向銷、銅條和緊固螺釘等組成。使用時，通過銷軸帶動彎板在端面法蘭上相對滑動，從而實現工裝本體的張緊和收縮；緊固螺釘是固定工裝在張緊和收縮位置的狀態，緊固時使工裝本體不能相對端面法蘭滑動；支承法蘭支承工裝本體，支承法蘭外端圓柱上有開孔，利用開孔通過撬杠的作用力在支承架上實現±180°旋轉；銅條主要用于焊接熱熔時不與工裝本體粘接，以便于脫模。

圖6　工裝本體示意圖

3.3工裝精度要求

工件的精度取決于工裝的精度，焊接工裝的截面尺寸可以通過機械加工進行精度保證，薄壁件內腔的截面尺寸精度只要大于焊接工裝的截面尺寸精度，即可保證焊接后薄壁件內腔的尺寸精度，但焊接工裝長度方向的擾度變形不能通過機械加工來控制，而是由自身質量引起的變形所決定的；因此，薄壁件長度方向的撓度精度取決于工裝的精度。通過計算焊接工裝的擾度變形與薄壁件允許的尺寸公差進行對比，判斷所設計的工裝是否滿足薄壁件的焊接需求。

焊接工裝受力分析圖如圖7所示。撓度計算公式[4]為：

式中，L是工裝的有效長度；E是彈性模量；I是慣性矩；G是所受重力。

圖7　焊接工裝受力分析圖

只要薄壁件焊接后長度方向允許的變形量(或公差)>fmax，所設計的工裝均能滿足焊接變形控制需求，所以，在進行工裝設計時，需要對工裝的截面結構、自重和長度等參數進行計算，以保證其最大擾度變形小于工件的允許變形量。

4結語

本文提出了通過改變焊接順序和設計工裝控制薄壁筒體類零件焊接變形的方法。重點論述了焊接工裝的設計思路、結構設計和精度計算，有效地解決了薄壁筒體零件焊接時剛度差的難題。通過實踐驗證，上述方法能夠很好地控制焊接變形，保證產品質量。

參考文獻

[1] 劉偉,李守彬,張艷奮. AP1000PCS系統中薄壁不銹鋼板焊接方法的探[J].現代焊接，2014(11)：25-28.

[2] 劉晶，李娟. 一種用于薄壁箱型梁結構的焊接工裝設計[J].中國新技術新產品，2014(2)：115.

[3] 范雪莉，張艷. 脹型模具在薄壁件焊接中的應用[J].模具制造，2010(5)：24-26.

[4] 劉鴻文. 材料力學[M].北京：高等教育出版社，2003.

責任編輯鄭練

Research on the Control of Welding Deformation Process for Large Thin-walled Cylindrical and Rectangular Parts

ZHANG Ke

(Zhengzhou Electromechanical Engineering Research Institute, Zhengzhou 450015, China)

Abstract：Study the method of welding deformation control on large thin-walled cylindrical and rectangular parts. Analyze the variety of thin-walled parts and the reasons of welding deformation. Through the analysis of technology for large thin-walled cylindrical and rectangular parts. Put forward the idea and methods of welding deformation control by optimizing welding process and designing welding fixture. Confirm the thin-walled welding technological process by subsection welding where parts place the welding fixture by the clamping device. Mainly discuss thought and method of welding fixture design that realizes expanding and shrinking, rotating on ±180°, and clamping on parts. Then check deflection on welding fixture. Provide the technical support for process optimization on the thin wall parts.

Key words:thin-walled parts, thin-walled welding, deformation control, welding deformation

收稿日期：2015-06-05

作者簡介：張克(1979-)，男，工程師，碩士，主要從事焊接工藝技術等方面的研究。

中圖分類號：TG 457.11

文獻標志碼:B