后裝壓縮車側板和導軌焊接變形工藝研究

聶帥強，王文霞，李小賓，王愛文，楊建忠

(長治清華機械廠，山西 長治 046012)

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后裝壓縮車側板和導軌焊接變形工藝研究

聶帥強，王文霞，李小賓，王愛文，楊建忠

(長治清華機械廠，山西 長治 046012)

摘要：分析了后裝壓縮車側板上焊接導軌面板變形的原因，建立了薄板焊接失穩(wěn)變形的數(shù)學模型。通過薄板焊接變形失穩(wěn)原理，降低了相關系數(shù)，減少了發(fā)熱量。采用了合理的焊接方法，改進了焊接工藝，優(yōu)化了后裝壓縮車側板面板焊接時的焊接參數(shù)、焊接條件。采用了2∶8配比混合保護氣體，改用小直徑焊絲，降低電壓、電流，提高焊接速度以及合理分布焊縫位置的焊接方案，采用了合理的反變形措施和正確的殘余應力釋放方法，有效地減小了車廂側面板的焊接變形量，得出了幾種影響薄板焊接的工藝條件。對SPA-H耐候板焊接工藝優(yōu)化進行了研究，有效地控制了后裝壓縮車側板與導軌焊接時面板外側的焊接變形，可以進一步為薄板焊接變形的控制提供很好的理論控制方法和依據。

關鍵詞：焊接變形；殘余應力；失穩(wěn)變形；優(yōu)化設計

后裝壓縮式垃圾車是一種集自動裝填與壓縮、密封運輸和自卸為一體的專用車輛，廣泛應用在環(huán)衛(wèi)市場[1]。后裝壓縮車的面板為2.3 mm厚的耐候板SPA-H，在廂體焊接時很容易產生焊接變形，使面板局部留有殘余應力，外觀凹凸不平，從而嚴重影響產品質量和外形美觀。特別是在車廂側板內側焊接方鋼管導軌時，車廂外側表面焊接變形嚴重，有許多凹凸不平的小坑。

基于目前后裝壓縮車側面板焊接變形嚴重的現(xiàn)狀，本文對側板面板焊接變形的原因進行了分析，建立了薄板失穩(wěn)變形數(shù)學模型。結合耐候板SPA-H的化學特點，選用合適的焊絲，對焊接工藝參數(shù)進行調整，同時采用壓緊反變形措施、機械矯正釋放殘余應力的方法，有效地減小了面板變形量，得到了一個比較理想的車廂面板，為有效控制薄板的焊接變形提供了很好的理論控制方法。

1后裝壓縮車側板和導軌焊接

本文僅以后裝壓縮車的側面板與導軌的焊接(見圖1)為例。車廂側面板為折彎成形件，下端有1個半徑為80 mm的圓弧，材質為SPA-H的耐候板，板厚為2.3 mm；導軌為60 mm×60 mm×5 mm的方鋼管，材質為Q235A；采用CO2氣體保護半自動焊，焊絲采用φ1.2 mm的ER50-6焊絲，焊接電流為130 A,電弧電壓為22 V，焊接速度為300～350 mm/min。

圖1　后裝壓縮車側面板與導軌焊接示意圖

后裝壓縮車車廂側面板與導軌采用上述焊接參數(shù)焊后效果圖如圖2所示。從焊后車廂外側面板的變形量來看，效果不太理想，不滿足設計要求。

圖2　后裝壓縮車側面板與導軌焊后效果圖

2薄板焊接變形理論分析

2.1SPA-H耐候板焊接工藝研究

后裝壓縮車在國內環(huán)衛(wèi)市場占有很大的市場分額，而國內南北溫差大，工況也不同。鋼材需要具有特殊性能，而耐候鋼板SPA-H具有這樣的性能。SPA-H的化學成分和力學性能見表1和表2。

表1　SPA-H的化學成分(質量分數(shù))　(%)

表2　SPA-H的力學性能

耐候板SPA-H具有良好的塑性和高溫、低溫性能。它在焊接熱循環(huán)的作用下，主要顯示出如下基本要求：1)在焊接過程中，采用小的線能量輸入，減小熱影響區(qū)范圍，加快焊縫及熱影響區(qū)的冷卻速度對耐候鋼板SPA-H的焊接是有益的；2)焊接時熱導率小，存在過熱區(qū)，容易造成熱影響區(qū)的晶粒長大，工件在焊接時易產生較大變形[2-3]，應盡量選擇線能量輸入較小的焊接方法。

因此，后裝壓縮車車廂面板與導軌在自然狀態(tài)和純CO2保護氣體下焊接時，極易產生較大的變形量，要想減小焊接的變形量，應調節(jié)焊接參數(shù)，增加反變形的措施。

2.2SPA-H耐候板焊接失穩(wěn)變形研究

薄板結構焊接最突出的問題是波浪變形。通常對于<6 mm的薄板，應特別注意防止失穩(wěn)而產生波浪變形。在焊接過程中，薄板上易產生高度不均勻的焊接溫度場，且由于受到約束作用，最終在焊接接頭區(qū)域形成殘余應力和不協(xié)調的塑性變形，焊縫附近為拉應力而遠處為壓應力。如果壓縮殘余應力σ達到結構的屈曲失穩(wěn)臨界載荷σsr，薄板就會發(fā)生失穩(wěn)[4](屈曲)，產生波浪變形；因此，焊縫處金屬縱向收縮而產生的壓應力是導致薄板失穩(wěn)的主要原因。σsr可由下式計算：

(1)

式中，t是薄板厚度；B是板寬；K是與板的支承情況有關的系數(shù)。

從式1可以看出，板厚與板寬的比值越小，臨界應力就越小，薄板也就越容易失穩(wěn)。焊接失穩(wěn)變形主要受薄板幾何形狀、板面積、厚度、板件初始平面度和支承條件的影響，當板厚和板寬為定值時，應盡量降低K的值；同時，焊接方法、焊接工藝顯著影響著焊接變形的程度。

2.3SPA-H耐候板焊接工藝優(yōu)化研究

為了提高后裝壓縮車側板面板與導軌的焊接質量，應改進焊接方法，調整焊接工藝，盡量使面板焊接變形達到最小。應合理選擇焊縫的尺寸和形式，合理安排焊縫的位置，對稱地布置焊縫，并盡可能考慮將焊縫布置在靠近結構中心線的區(qū)域內，正確選用焊接方法和焊接材料[5]。

后裝壓縮車側板面板與導軌的焊接工藝優(yōu)化如下。

1)氣體保護焊時，保護氣體為20%CO2和80%Ar比100%CO2保護的焊接變形小。

2)焊接電流的大小對焊接變形有著很大的影響，當電流大時發(fā)熱量大，受熱區(qū)集中不利于散熱(見圖3)。

圖3　后裝壓縮車側面板大電流焊接效果圖

焊接時的發(fā)熱量E(單位為J/cm)為：

(2)

式中，I是焊接電流；U是電弧電壓；v是焊接速度。

由式2可知，降低電流、電壓或提高焊接速度都可以減少發(fā)熱量。為減小熱變形可以降低電流，可將焊接電流調整為90 A，電弧電壓為22 V，焊接速度為350～400 mm/min。

3)氣體保護焊時的焊絲對焊接變形也有影響，焊絲直徑大的焊接變形也大。可以減小焊絲直徑，以達到減小焊接變形的目的。本文介紹的實例優(yōu)化后，ER50-6焊絲由φ1.2 mm改為φ0.8 mm。ER50-6焊絲的化學成分見表3。

表3　ER50-6焊絲化學成分(質量分數(shù))　(%)

4)優(yōu)化焊縫布置，兩邊焊縫對稱布置，減小焊縫長度，加大焊縫間距。改變焊接順序，由2人同時從中間向兩端交錯焊接。

5)改變自由焊接狀態(tài)，由自由焊接改為增加反變形措施。在焊接時增加一個向下的壓緊力(見圖4)，焊完保壓，待工件完全冷卻后撤除壓緊力[6-7]。

圖4　后裝壓縮車側面板導軌焊接壓緊示意圖

6)焊接完成后，工件局部留有殘余應力，外觀凹凸不平。對所有熔化式焊接，在焊縫及其熱影響區(qū)都存在較大的殘余應力，殘余應力的存在會導致焊接構件的變形、開裂并降低其承載力，一般消除應力的方法主要有振動時效和熱時效。由于耐候板SPA-H側面板厚太薄，不適合進行熱時效，只能進行振動時效，采用該方法可以消除50%～80%的殘余應力[8]。

3焊接結果分析

對后裝壓縮車側板焊接進行分析的主要目的是了解薄板焊接變形情況。對后裝壓縮車側板面板焊接時的焊接參數(shù)、焊接條件進行了優(yōu)化，優(yōu)化后得到了想要的理想側面板焊接效果(見圖5)。本文只分析給出了幾種影響薄板焊接變形的情況，并對SPA-H耐候板焊接失穩(wěn)變形的條件進行了研究，消除了車廂面板焊接后的殘余應力。

圖5　焊接參數(shù)優(yōu)化過后的焊接效果

4結語

介紹了薄板焊接變形的理論產生情況，通過耐候板焊接失穩(wěn)變形研究，得出了幾種影響薄板焊接的工藝條件，并對SPA-H耐候板焊接工藝優(yōu)化進行了研究，得到了比較滿意的焊接效果，有效地控制了后裝壓縮車側板與導軌焊接時面板外側的焊接變形，消除了表面的凹坑和波浪，保證了產品質量。可以進一步為薄板焊接變形的控制提供依據。

參考文獻

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[3] 王長生，薛小懷，樓松年，等．薄板焊接變形的影響因素及控制[J]．焊接技術，2005(4)：84-86．

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[8] 葉建雄，張華．焊接工藝參數(shù)優(yōu)化的智能計算研究[J]．材料導報，2009(24)：61-63．

責任編輯鄭練

Side and Guideway of Loaded Compressed Roll-off Garbage Trucks Welding Distortion Technical Study

NIE Shuaiqiang, WANG Wenxia, LI Xiaobin, WANG Aiwen, YANG Jianzong

(Changzhi Qinghua Machinery Factory, Changzhi 046012, China)

Abstract：Introduce the cause of deformation of side plate on the side panel welding guide rail of loaded compressed roll-off garbage trucks welding distortion. Mathematical model of the thin plate instability deformation is established. Through the principle of thin plate welding deformation instability, reduce the correlation coefficient, reduce heat, adopt reasonable welding method and welding process improvement. When side panel board of loaded compressed roll-off garbage trucks welding, the welding parameters and conditions is optimized. Through 2∶8 mixing ratio protective gas, switch to small diameter welding wire, reduce the voltage, improve the welding speed, reasonable distribution of weld position welding is plannecl, the reasonable measures against deformation and accurate residual stress release method are presented, effectively reduce the welding distortion of side plate， and obtain several thin plate welding process conditions. The SPA-H weather resistance plate welding process optimization is studied, effectively control the outside of the panel of the loaded compressed roll-off garbage trucks with a guide rail welding deformation. The good theory control method and basis can be provided further for thin plate welding deformation control.

Key words:welding distortion, residual stress, instability and deformation, optimal design

收稿日期：2015-07-10

作者簡介：聶帥強(1981-)，男，工程師，主要從事專用汽車的設計與制造等方面的研究。

中圖分類號：TG 443

文獻標志碼:A