空間曲面結構件焊接變形控制及消除方法研究

王晉平，徐 斌，牛中棟

（山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治046000）

1 空間曲面結構件焊接變形原因

焊接結構件頂板采用空間曲面形狀，背面采用焊接網格筋進行加強。焊接結構件全部選用4 mm厚HG785D型鋼板，具有強度高，質量小的特點，實物圖件圖1。

圖1 空間曲面結構件實物圖

生產過程中，頂板采用壓模一次壓制成型，采用樣板進行檢測，曲面誤差不大于0.5 mm。網格筋采用激光切割機直接成形下料，各尺寸誤差不大于0.3 mm。組裝并采用半自動混合氣體保護焊焊接完成后，對頂板曲面進行樣板檢測，變形尺寸：空間曲面進行橫向樣板檢測，最大焊接變形為9 mm，主要集中在曲面凸起變截面部位；空間曲面進行縱向樣板檢測，最大焊接變形為10 mm，主要出現在曲面上端，即凸起最高點；背面縱向寬度尺寸，收縮最大值為4 mm；背面橫向寬度尺寸，收縮最大值為3 mm；背面檢測平面度，對角線位置超過5 mm；背面檢測對角距離，相差約7 mm。

焊接結構件使用時，背面平面需要與其他構件平面進行螺接，對下端平面度要求不超過2 mm。上端需要與其他成形曲面對接，要求貼合部分不少于80%。經過首次焊接完成的工件無法達到設計指標要求，且無法實現產品使用功能。鑒于焊接結構件采用HG785D型焊接鋼板，無法高溫校形，通過機械校形后，寬度和長度變短，曲面成形凸凹不平，無法滿足產品匹配使用要求。背面下端面由于焊接變形較大，在校形過程中出現焊縫撕裂，造成產品失穩，無法滿足產品承載要求。另外，由于焊接殘余應力較大，附加機械強制校形，焊接結構件內部殘余應力也較大，在自然時效后或使用過程中，焊接結構件尺寸會再次出現變化，極有可能產生較大變形引起其他部件損壞。

2 空間曲面結構件焊接變形分析

針對該焊接結構件在焊接和校形工序完成后出現的焊接變形、校形撕裂及殘余應力等問題，逐一進行分析。

2.1 焊接變形問題

該問題根據工件焊接實施過程進行分析，主要從工件結構、焊縫分布和焊接方向三方面進行焊接變形產生原因的理論分析：

2.1.1 工件結構

工件采用左、右對稱結構，焊縫全部分布在背側，前半部分焊縫多、后半部分焊縫少，正面無焊縫結構。該工件首件焊接時的施焊順序為：從中心部位向左端和右端同時焊接，焊接方向均采用圖2所示方向，全部為從前端向后端施焊。

2.1.2 焊縫分布

通過焊縫結構分析可知，產品整體呈現內凹結構，上、下結構極度不對稱，焊縫全部集中了在內凹一側，焊接初期受熱膨脹，造成頂板因壁厚較薄，穩定性較差，產生強度失穩變形現象。焊接后期冷卻時，焊縫及熱影響區的材料產生收縮變形，產生焊接變形和殘余應力。而遠離頂板部位采用柵格結構，強化了工件結構強度，穩定性較高，故焊接變形較小。因此，從焊接結構來講，頂部強度較弱，底部強度較強，即底部穩定性相較于頂部較高。

圖2 焊接結構件焊接方向示意圖

依據焊縫分布狀態分析可知，產品焊縫在前半部分布密集，后半部分分布較為稀疏。從焊接過程產生的影響角度可知，前端焊接時受焊接熱循環影響較大，后端受焊接熱循環影響較小。同時，前端中間存在外凸加強，焊縫長度增加，受到焊接熱循環影響更大。因此，從焊縫分布來講，前端較后端穩定性高、中間較左右兩側穩定性差。

2.1.3 焊接方向

結合焊接順序分析可知，先中間、后左右的焊接順序以及從前端向后端施焊的焊接方向，會因為產品焊接穩定性較差的中間、前端時，呈現自由變形狀態，故焊接變形量較大。在后續焊接左右兩側、后端穩定性較強部分時，由于焊接變形已經產生，導致加強筋發生錯位，在強行糾正后，焊接應力進一步較大，最終導致焊接變形越來越大，焊接殘余應力也越來越大。

通過上述分析，可知在焊接結構本身不對稱的情況下，加上焊縫分布不均和焊接方向選擇不合理，最終導致產品產生了較大的焊接變形。

2.2 校形開裂問題

該問題主要從校形過程中，工件受力狀態進行分析。在使用油壓機進行機械校形過程中，采用四點支撐，中部下壓的方式進行校形，示意圖見圖3。

在下壓過程中，四點向上支撐，工件頂板受力向下延展。由于支撐部位較少，下壓部位先產生彈性變形，再產生塑性變形，為達到校形效果，必須使中間產生較大的形變。在該承載情況下，中心部位出現較大的應力集中。結合焊接完成后工件應力集中趨勢可知，內凸頂部的應力集中也較為明顯。兩者疊加，超過焊縫承載能力，直接導致校形過程中焊縫開裂。

圖3 焊接結構件校形示意圖

2.3 殘余應力問題

產品經歷焊接和機械校形后，存在焊接殘余應力和校形應力。同時產品選用控軋工藝成形的焊接用高強鋼板。未進行退火去應力處理。僅僅依靠振動時效，只能將應力進行消減。故在后續機加和使用過程中，應力會逐漸釋放，直接影響產品尺寸精度。

3 解決空間曲面結構件焊接變形的辦法

3.1 焊接變形控制

依據焊接變形產生原因分析結論和實物變形狀態。針對焊接結構不對稱、焊接過程易失穩的狀態，擬定采用剛性固定工裝進行控制。針對焊縫分布不均勻的設計要求，擬定采用優化焊接順序，減少焊接變形的產生。針對薄板焊接易變形這一固有特點，采用分組件裝點、留焊接收縮量的措施保證焊接變形后，使產品尺寸滿足使用要求，具體措施如下：

1）縱向加強筋板兩端各留3 mm焊接收縮量，橫向加強筋板兩端各留2 mm焊接收縮量。

2）頂板凸起頂部高度增高1 mm，用于焊接收縮量。

3）采用頂板仿形工裝進行定位，組焊縱、橫網格加強筋成小組件，焊接校形后再與頂板組焊。

4）焊接頂板時，在頂板一側增加剛性固定工裝，增強頂板穩定性。

5）焊接加強筋和頂板的順序，改為由四周向中間施焊，并要求對稱同時施焊。

采取上述五種焊接變形控制措施，進行實物驗證后。檢測結果如下：空間曲面進行橫向樣板檢測，最大焊接變形為4 mm，仍然集中在曲面凸起變截面部位；空間曲面進行縱向樣板檢測，最大焊接變形不超過3 mm；背面縱向寬度尺寸，與圖紙要求偏差不超過2 mm；背面橫向長度尺寸，與圖紙要求偏差不超過mm；背面檢測平面度，對角線位置不超過3 mm；背面檢測對角距離，相差約2 mm。在后續生產過程中，采用該方案，獲得產品一致性較好，超過80%以上產品低于上述焊接超差值。

3.2 校形方法改進

依據校形開裂產生原因分析結論和實物開裂狀態。采取上述焊接變形控制措施后，校形工作量大大減少。在此基礎上，為保證焊接校形準確性和產品一致性，擬定采用圖4所示工裝進行下部支撐，完成校形過程。

圖4 校形裝配實物圖

采用上述工藝裝備，配合油壓機在中間位置進行下壓時，兩側均勻承載，可實現局部小范圍校形。基于焊接變形控制良好的狀態下，中間部位不再進行大變形量即可取得到良好的校形效果。

在后續批量生產過程中，采用上述方案，校形后的產品尺寸趨于一致，滿足批量產品一致性的要求。

3.3 焊接應力消減

基于上述焊接變形控制和校形方法改進后，產品外形尺寸趨于穩定，在附帶剛性固定工裝進行振動時效，焊接應力得以大部分消減。焊接結構件承載能力趨于穩定，同時焊接結構件的外形尺寸趨于一致。

4 結語

根據產品首件生產結果，結合自身工作經驗，運用變形產生及控制、消除的理論，對空間曲面焊接結構件變形原因、校形缺陷、質量風險進行分析。采用自制裝夾和校形工裝、焊接順序調整兩方面的控制措施，一方面成功克服了焊接變形大、校形撕裂的問題，另一方面有效地降低了產品殘余應力集中的質量風險。

在后續多批次產品生產中，采用上述生產方案，進行焊接結構件的焊接和校形。經過多批次實物驗證，未發現焊接變形超差報廢問題和焊縫校形開裂問題，且在使用過程中未發現尺寸變化而影響使用現象，從根本上確保了產品的穩定性和可靠性。