大型薄壁件高頻箱焊接變形控制

李文學 譚曉冬

（航天南湖電子信息技術(shù)股份有限公司，湖北 荊州434000）

1 概述

我廠某大型薄壁件高頻箱（見圖1）外形尺寸大(1130×1200×9495mm)，壁薄(6mm 以下)，組成零部件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)較復雜，焊接焊縫長度長，因此零件預留余量、裝配控制、焊接順序、焊接反變形等是本大型薄壁件高頻箱焊接的難題。

圖1 高頻箱結(jié)構(gòu)示意圖

2 材料選用

本大型薄壁件高頻箱主體材料全為進口瑞典鋼Domex700MC 鋼板，為冷成型的熱軋結(jié)構(gòu)鋼，具有極佳的焊接、冷成型和切削性能，最小屈服強度為700MPa，用以獲得更堅固和更輕便的結(jié)構(gòu)。

依據(jù)母材的焊接特性和高頻箱的結(jié)構(gòu)形式，按低(等)強匹配原則，選取天泰TWE-711、TWE-91K2 藥芯焊絲，其具有良好的實際操作性，適合全位置焊接，可以獲得優(yōu)良的焊接性能，尤其是低溫特性和延展性，有效避免焊接裂紋的產(chǎn)生。

3 工藝分析

3.1 總體工藝分析

高頻箱為鈑金件衍梁結(jié)構(gòu)，從焊接工藝分析，其結(jié)構(gòu)主要由左右平面框架和橫梁組成，因平面框架自身剛性較差為U 形鈑金結(jié)構(gòu)件，而且焊縫不對稱分布，均集中在結(jié)構(gòu)件正面，這樣會導致焊后變形嚴重，并且剛性差校形困難。框架組裝成骨架時，其焊縫布局和接頭位置相對呈對稱分布，焊接結(jié)構(gòu)較平面框架時好，因此焊接變形會相對較小。綜上我們制定工藝焊接路線，平面框架焊接時只滿焊板與橫梁的對接焊，而板與縱梁的所有焊縫調(diào)整到骨架時施焊，這樣可以有效減小平面框架的焊接變形，因此工藝路線為：1 平面框架放樣粘焊(僅滿焊板與橫梁焊縫)→2 整體框架組裝→3 滿焊整體框架。

3.2 各部件工藝分析

3.2.1 平面框架的焊接

根據(jù)樣件試制情況分析，平面框架焊接時其主要變形為（見圖2）：（1）收縮變形：縱向收縮變形和橫向收縮變形；（2）彎曲變形：縱向彎曲變形、橫向彎曲變形、扇形彎曲變形；（3）角變形；（4）扭曲變形。其中:a.收縮變形是難以修復的，只能通過在構(gòu)件下料時加余量或放樣增加余量來解決；b. 彎曲變形其產(chǎn)生原因是焊件結(jié)構(gòu)上的焊縫不對稱或焊件斷面形狀不對稱引起，焊縫的縱向收縮和橫向收縮而產(chǎn)生的變形；c. 角變形其產(chǎn)生原因主要是由于焊縫截面不對稱或施焊不合理造成的；d. 扭曲變形其產(chǎn)生原因主要是由于施焊順序不合理，致使焊縫的縱向收縮和橫向收縮沒有沿一定規(guī)律而引起的變形；為解決以上焊接變形，我們采取以下工藝方法和手段：

a.從焊接工藝性上對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化：

①對高頻箱的焊接尺寸進行工藝優(yōu)化。高頻箱樣件焊接時其縱向收縮約為12mm，橫向收縮量約為1mm，即主縱梁下料時將長度尺寸9495 增加12mm，下料時尺寸變?yōu)?507，橫梁放樣時尺寸增加1mm，放樣時尺寸為1200+1mm。

②結(jié)構(gòu)上增加工藝支撐零件。對主縱梁剛性進行加強，在主縱梁上均分增加工藝加強筋；在左右壁框架中間增加支撐管，用以防止焊接壁板起伏變形。

③合理安排焊縫布局。因為高頻箱單面框架焊接截面為不對稱的U 形結(jié)構(gòu)，焊縫也均集中在一面，這是造成焊接彎曲變形的主要原因，考慮到高頻箱整體框架為對稱的正方形，其焊縫也相對呈對稱分布，因此在拼裝單面框架時不滿焊框架上縱梁的長焊縫，而只點焊連接，滿焊調(diào)整到拼裝成整體框架時進行。

b.焊接前的預防措施：

①采用反變形法，即根據(jù)預測的焊接變形大小和方向，先將構(gòu)件人為預先變形，使其變形方向與焊接引起的變形相反，則焊后構(gòu)件的變形與預先變形互相抵消，從而達到減小或消除焊接變形。根據(jù)高頻箱平面框架樣件焊接情況進行分析，其縱向及橫向變形均沿橫梁背面彎曲（見圖2），因此我們將平面框架在縱向和橫向預先墊成拱形（見圖3），其變形量的大小根據(jù)以往焊接經(jīng)驗進行預估，縱向反變形墊高40mm，橫向反變形墊高5mm，反變形法可以有效的減小和抵消其彎曲變形。

②采用剛性固定組裝法。焊接前并將平面框架嵌入焊接平臺角鐵中，通過角鐵強行約束可以有效控制其扇形彎曲變形（見圖3），并且焊接時用壓板將平面框架固定在焊接平臺上，可以有效減小其焊接變形。

c.焊接過程中的控制措施：

焊接過程中，選擇合理的焊接順序來減小焊接變形，遵循先中間后兩邊，避免焊縫交叉進行的原則。具體為焊接時先焊橫梁與板的對接焊，焊接順序為從中間第五個框向兩邊框架對稱分布焊接；全部焊完再焊斜撐與板的對接焊，焊接順序同上；而每條單獨焊縫焊接時，遵循從中間向兩邊分段焊接原則（見圖4）。

圖2 高頻箱平面框架樣件焊接變形示意圖

圖3 平面框架控制焊接變形示意圖

圖4 平面框架焊接順序示意圖

根據(jù)以上分析，高頻箱平面框架的工藝路線為：（1）搭建焊接平臺，按工藝分析尺寸進行平面框架放樣；（2）校正尺寸，粘焊平面框架；（3）打翻，將平面框架嵌入焊接平臺角鐵中，進行反變形預彎，并剛性裝夾壓緊；（4）選擇合理焊接順序滿焊橫斜梁與板的對接焊，其它所有與縱梁相連焊縫均不滿焊；（5）焊后去毛刺，對正面焊縫進行砂平以便后續(xù)組裝。

3.2.2 框架組裝的焊接

高頻箱框架主要由左右平面框架與橫梁組焊而成（見圖1），平面框架主縱梁上焊縫均沒有滿焊，而是全部留在了高頻箱框架焊接時，因焊縫越長，焊接熱輸入就越大，引起的焊接變形就越大，并且高頻箱基本由厚度不大于6mm 的薄板折彎件組成，其自身剛性還是相對不足，焊接變形控制也更加困難，焊后是無法進行校形的，這樣就需要采取一定的工藝方法和手段，來有效的控制和減小其焊接變形。

為有效控制其焊接變形，我們采用以下工藝方法及手段：

a.焊接前的預防措施：

在框架焊接前采用剛性固定組裝法，來強行約束其焊接變形。利用平板及大角鐵搭建立體焊接平臺，將框架四面通過壓板等剛性固定在焊接平臺上，并用撐管強行支撐防止其焊接收縮，用法蘭螺桿將尺寸校正，通過以上強制工藝手段來減小和限制其焊接變形。

b.焊接過程中的控制措施：

①選擇合理裝配順序。高頻箱由九個框架單元組成，因最后一個框架單元為舉升框架，其尺寸精度與高頻箱整體尺寸及平面度相關(guān)聯(lián)，因此我們將最后一個舉升框架留在其余八個框架單元焊接完成后組裝，這樣可以保證其余八個框架焊接時產(chǎn)生的變形，不至于影響最后一個框架的組焊尺寸精度。

圖5 主力骨架焊接順序示意圖

②框架焊接過程中，選擇合理的焊接順序來減小其焊接應力及變形。從焊接結(jié)構(gòu)上分析，高頻箱主力骨架由正方形橫梁框與縱梁、斜撐組焊而成，而其它如板等零部件則是拼焊在主力骨架上的，而且在焊接中一般先焊短焊縫再焊長焊縫，因此我們將焊縫最長的板與縱梁的對接直焊縫留到主力框架焊后進行，先焊接主力骨架，使整個高頻箱通過主力骨架剛性支撐起來，提高高頻箱焊接剛性強度，這樣可以有效減小后續(xù)焊接變形；在焊接主力骨架時的焊接順序，選擇先立焊再對接焊，在整體方向其焊接順序遵循從中間向兩邊分的原則，而在一個焊接截面上，我們采用焊接溫度平衡對稱法；而對于板與縱梁的長直焊縫，則采用分中分段退焊法（圖5）。

根據(jù)以上分析，高頻箱框架組焊的工藝路線為：（1）搭建高頻箱焊接立體平臺；（2）高頻箱整體框架組裝，各部分壓平，點固，并通過花欄螺桿及撐桿進行支撐校正；（3）先滿焊每層正方形橫梁框架，焊接工藝順序采用對稱焊、先中間后兩邊、先立焊后平焊的原則（見圖5，后續(xù)焊接均按此原則執(zhí)行）；（4）滿焊橫梁與主縱梁的立焊；（5）滿焊斜撐與主橫梁的立焊；（6）滿焊主橫梁的對接平焊；（7）滿焊斜撐與主橫梁的對接平焊；（8）打翻，對所有主橫梁未焊位置滿焊；（9）滿焊主縱梁與兩側(cè)板的對接平焊；（10）放樣底面框架平面，并滿焊；（11）組裝最后一個液壓舉升框架，并滿焊。

4 樣件試制情況

依據(jù)工藝分析中的各種控制方法對零部件進行試制，即零件上預留焊縫收縮量，部件裝配焊接時采用調(diào)整焊縫布局、反變形、剛性固定、預留焊縫收縮、控制焊接順序等方法控制焊接變形。完成兩臺高頻箱樣件的試制。

4.1 零件的試制情況

主縱梁總長度由圖紙尺寸增加12mm 下料，即明義長度尺寸9495 增加為9507，從本批次生產(chǎn)現(xiàn)場焊接情況看，全部焊接完成后，第一臺焊后總長尺寸為9493.5，滿足圖紙要求，達到了預期目的。

4.2 部件的試制情況

縱梁兩側(cè)長達20 米的直焊縫，此焊縫對左右屏風平面度影響最大，都調(diào)整留到整體框架組裝后焊接，而左右屏風只焊接橫梁與兩側(cè)板的焊縫，焊接前采用反變形法和剛性固定法，焊接過程中控制焊接順序，從試制的兩臺實施情況看，左右屏風焊后總平面度均小于20mm，極大提高了左右屏風的平面度精度。高頻箱在組裝時，我們在試制時工藝要求放樣尺寸為1202mm，經(jīng)對第一臺和第二臺焊后尺寸進行測量，其焊接尺寸分別1200、1199，滿足圖紙尺寸要求，因此通過放樣增大焊接尺寸，對于防止框架焊接收縮變形是正確可行的。從第一臺和第二臺生產(chǎn)實施情況看，在焊接中間八個框架時，我們先進行八個中間框架的立焊，而且在焊接過程中采用對稱焊法，經(jīng)現(xiàn)場跟蹤查看其焊后平面度較好，沒有明顯起翹變形現(xiàn)象發(fā)生。后面我們進行了八個框架的對接焊，發(fā)現(xiàn)整體框架中間有輕微起拱現(xiàn)象，但并不明顯，中間位置向上拱起大概有2mm 左右縫隙，經(jīng)分析認為此變形量在我們認可范圍內(nèi)，至此所有八個中間框架已基本全部焊接完成。根據(jù)暫時的變形量，我們開始進行縱橫梁的對接焊，在施焊過程中，中間拱形縫隙慢慢增大，最后經(jīng)測量其拱度由2mm 增加至7mm，至此整體框架除舉升框架外已基本完成，高頻箱也已定型，剛性較好，后續(xù)焊接對其變形影響較小，而且后續(xù)焊接量也較少，圖紙要求整體平面度為10mm，因此其焊接完成后整體平面度應該也能達到圖紙要求，我們認為可以進行后續(xù)的焊接。

在打翻對除舉升框架外所有未焊的焊縫進行滿焊，焊接順序一樣遵循由中間向兩邊延伸，對稱施焊，焊后測量其平面度為8mm。

結(jié)束語

目前，本次樣件試制從優(yōu)化工藝尺寸、合理安排焊縫布局、反變形、剛性固定、強力約束、控制焊接順序等方面綜合入手，控制線性尺寸和形位公差達到圖紙要求，穩(wěn)定了批產(chǎn)質(zhì)量的目的。現(xiàn)本批次第一臺和第二臺高頻箱已焊接完成，其焊后尺寸能滿足產(chǎn)品設計要求，此工藝方法是完全能滿足高頻箱批生產(chǎn)要求的，能有效控制高頻箱焊接變形，穩(wěn)定批產(chǎn)焊接質(zhì)量。