工程機械支腿結構焊接菱形變形的控制與研究

周燕妮 李 輝

（1.中國礦業(yè)大學徐海學院，江蘇 徐州 221000；2.徐工消防安全裝備有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 引言

焊接是現代工業(yè)生產和科學技術發(fā)展中的關鍵技術之一，作為一種基本的加工方法，在工業(yè)生產制造中具有舉足輕重的地位[1]。但焊接局部受熱，焊后存在不同程度的殘余應力及變形，焊接變形不僅會影響結構的外觀，而且影響拼裝構件的安裝精度，焊接后需要對變形進行矯正，然而矯正過程會耗費很大的人力、物力、財力。該文對不同工藝條件下的焊接變形和應力進行研究，可解決很多結構中的焊接變形問題[2]。該文主要通過優(yōu)化焊接工藝，控制工程機械箱型支腿結構焊接菱形變形。

1 工件結構及變形數據分析

1.1 試驗構件結構形式

工程機械工作時，為提高其穩(wěn)定性，須在車身周圍伸出4 個支腿支撐地面，如圖1 所示。其支腿在車架內伸縮，須控制其配合間隙，因此要嚴格控制支腿的外形尺寸。支腿工作時受力大、板厚，左右側板厚度均為8mm，上下蓋板厚度均為12mm，材質為低合金高強鋼Q550，支腿設計為箱型焊接結構。箱體支腿主要由上下蓋板和左右側板連接的4 條長角焊縫以及四邊形各面上加強板的連接焊縫組成。

圖1 工程機械支腿圖

焊后箱體發(fā)生菱形變形，由均為直角的長方形，變形為偏離直角的菱形。即長方形橫截面發(fā)生了傾斜，由直角變形為鈍角或銳角，變形量約4mm，如圖2 所示。為控制支腿配合間隙，保證支腿裝配順利，須將傾斜的多余尺寸進行機加工切削。若變形量大于機加工余量，還需先進行壓力調形[3]，增加加工成本及生產節(jié)拍。

圖2 支腿焊接菱形變形圖

1.2 焊接變形數據分析

收集支腿整個焊接過程的變形數據，找出主要引起菱形變形的工序，進行重點控制試驗。箱型支腿的焊接分成2 遍焊接工序，一遍焊接支腿的箱體結構，焊接上下蓋板和左右側板連接的4 條長角焊縫。二遍在箱體的基礎上拼點焊接四邊形各面上加強板的連接焊縫。整體焊后變形數據見表1。

表1 原工件焊后菱形變形量

由表1 可知，箱型支腿一遍焊接后菱形變形量約為3mm～4.5mm，二遍焊接后菱形變形量約為2.5mm～5mm。支腿的焊接菱形變形主要由一遍焊接引起，二遍對菱形變形影響約為0～0.5mm，可忽略不計。因此，主要在支腿一遍焊接工序上，研究其控制變形的方案。

2 試驗方案

焊接是一種瞬時局部熱輸入的過程[4]，熱量高度集中。焊接生產過程中不均勻的受熱和冷卻，且受周邊區(qū)域的約束，在焊接后會產生較大的殘余應力及變形[5]。支腿的菱形變形主要由箱型的4 條長角焊縫的焊接變形引起，焊縫尺寸相同，但在焊接過程中焊接順序會導致結構剛度變化，先焊焊縫剛度約束最小，變形最大，后焊焊縫的剛性約束越來越大，變形逐漸減少，從而引起4 條長角焊縫角變形大小不一，導致箱體焊接結構菱形變形。研究人員可以調整焊接順序進行試驗，減小其焊接變形量[6]。

2.1 單邊V 型打底焊接順序優(yōu)化方案

打底焊焊接順序優(yōu)化實驗主要調整4 條長角焊縫的打底焊接順序，使左右兩邊打底焊焊縫角變形量相近或相同即可，使焊接菱形變形相互抵消。具體方案見表2。

表2 優(yōu)化打底焊焊接順序試驗方案

為減小焊接變形，方案一將長打底焊縫采用分段退焊法焊接，如圖3 所示。方案二，則采用兩側打底焊縫進行分段對稱焊接，如圖4 所示。方案三，兩側打底焊縫使用交替分段對稱焊接，即第一小段的焊接先后順序與第二小段的順序相反，第三小段的焊接先后順序又與第二小段的順序相反，依次類推，如圖5 所示。

圖3 方案一打底焊順序圖

圖4 方案二打底焊順序圖

圖5 方案三打底焊順序圖

2.2 角焊縫蓋面焊接順序優(yōu)化方案

蓋面焊焊接順序優(yōu)化實驗主要調整4 條長角焊縫的蓋面焊接順序，組合出3 個蓋面焊焊接順序不相同的方案。具體方案見表3。

表3 優(yōu)化蓋面焊焊接順序試驗方案

方案四依次從左到右蓋面焊接，上蓋板的連接蓋面焊縫，先焊左側再焊右側，同理，下蓋板的連接蓋面焊縫，也先焊左側再焊右側。方案五，則按順時針依次蓋面焊接。方案六，則采用對角對稱蓋面焊接，先對稱焊接一對對角焊縫，再對稱焊接另一對對角焊縫。

3 試驗數據及分析

3.1 打底焊接順序優(yōu)化試驗數據及分析

3.1.1 打底焊試驗數據

優(yōu)化打底焊順序后，焊接完箱型支腿，測得其焊接菱形變形的數據見表4。方案一先打底焊完一側再焊另一側，焊后菱形變形量0～4mm，變形較大。方案二對稱打底焊，焊后菱形變形量0～2mm，變形較小。方案三交替對稱打底焊，焊后菱形變形量0～0.5mm，變形最小，基本不變形。

表4 優(yōu)化打底焊順序試驗后支腿菱形變形量

3.1.2 打底焊試驗數據分析

方案一采用的是分段退焊法，先焊完①②③④，然后再焊⑤⑥⑦⑧。隨著焊縫①～焊縫⑧依次焊接，焊縫①～焊縫⑧焊接時的剛性依次增大，其焊接變形ε依次減小。即ε1>ε2>ε3>ε4>ε5>ε6>ε7>ε8，一側的焊接總變形為ε1+ε2+ε3+ε4，另一側焊接總變形為ε5+ε6+ε7+ε8，兩側總焊接變形量不可抵消，ε1+ε2+ε3+ε4>ε5+ε6+ε7+ε8，但分段退焊法存在一定焊前預熱效果[7]，焊縫①剛焊完，會產生較高的熱量，會對②處有一定的預熱保溫作用，這樣在焊縫②不會產生較大的變形，如圖6 所示，方案一焊接菱形變形量在2mm～3mm，其變形量比原生產方式接菱形變形量小約4mm。

圖6 方案一數據圖

方案二采用的是對稱打底焊，隨著焊縫①～焊縫⑧依次焊接，其剛性依次增大，焊接變形ε依次減小。一側的焊接總變形為ε1+ε3+ε5+ε7，另一側焊接總變形為ε2+ε4+ε6+ε8，ε1+ε3+ε5+ε7>ε2+ε4+ε6+ε8，兩側總焊接角變形量仍然不可抵消，但角變形抵消量大于方案一，如圖7 所示，方案二焊接菱形變形量約1mm～2mm，其變形量小于方案一焊接菱形變形量約2mm～3mm。

圖7 方案二數據圖

方案三采用的也是對稱焊接，但是順序有所改變，交替對稱打底焊。一側的焊接總變形為ε1+ε5+ε6+ε7，另一側焊接總變形為ε2+ε3+ε4+ε8，ε1+ε3+ε5+ε7≈ε2+ε4+ε6+ε8，兩側總焊接角變形量基本抵消，如圖8 所示，方案二焊接菱形變形量為0～0.5mm，基本消除箱體的焊接菱形變形。

3.2 蓋面焊接順序優(yōu)化試驗數據及分析

3.2.1 蓋面焊試驗數據

改變蓋面焊順序后，焊接完箱型支腿，測得其焊接菱形變形的數據如表5 所示。方案四依次從左到右蓋面焊接，焊后菱形變形量2mm～3.5mm，變形較大。方案五按順時針依次蓋面焊接，焊后菱形變形量3mm～4mm，變形大。方案六采用對角對稱蓋面焊接，焊后菱形變形量3.5mm～5mm，變形最大。

表5 優(yōu)化蓋面焊順序試驗后支腿菱形變形量

3.2.2 蓋面焊試驗數據分析

由表5 可知，改變蓋面焊焊接順序，箱型支腿菱形變形量為2mm～5mm，變形仍然很大，與原始方案焊接變形量3mm～4.5mm，基本相近，因此蓋面焊接順序對焊接變形量影響較小。打底焊縫先焊接，打底焊縫雖然焊接量較小，但先焊接時，剛性最小，引起的焊接變形最大。打底焊縫焊接后，支腿的剛性大大增加，再焊接蓋面焊縫，即使蓋面焊縫焊接量較大，引起的焊接變形卻很小，因此蓋面焊縫對焊接變形影響很小。

4 結論

活動支腿是工程機械的關鍵部件，承受著工程機械的重量與負載，因此需要控制活動支腿的焊接焊接變形，提高其精度。該文結合消防車的活動支腿的焊接問題，進行了探討和分析。得到以下結論：1）活動支腿在焊接過程中產生的菱形變形，實際上是角變形引起的，角變形引起角度變化不均勻，最終導致菱形變形產生。2）分段打底退焊具有焊前預熱作用，可一定程度上降低焊接變形，減小箱型結構的焊接菱形變形。3）分段對稱打底焊接，基本不降低焊接角變形量，但可增大兩側角焊縫角變形均勻程度，一定程度上減少箱型結構的菱形變形。4）交替對稱打底焊接，在不降低焊接角變形量的情況下，最大程度地使箱型左右兩側角焊縫的角變形量相同，使不同方向的菱形變形相互抵消，達到控制箱型結構焊接產生的菱形變形，提高箱型支腿的制造精度的目的。5）蓋面焊最后焊接，剛性增大，焊接變形減小，基本不影響焊接菱形變形量。