浮選機定子骨架的焊接變形控制研究及應用

唐家偉

（北京礦冶研究總院固安機械有限公司，河北廊坊 065500）

0 引言

焊接變形和應力控制是焊接結構生產制造的重要課題，是影響焊接結構設計完整性、制造工藝合理性和結構使用可靠性的關鍵因素［1］，這對于承受較大靜、動負荷的大型浮選機定子焊接結構骨架尤為重要。焊接變形是焊接結構生產制造過程中的普遍現象，必須經過焊接反變形或矯正才能滿足焊接結構設計使用要求［2］。選擇合理的焊接順序和焊接條件也是控制焊接變形的主要手段。合理的焊接順序，焊前反變形方法和火焰矯正是焊接結構生產矯正焊接變形最常用的方法［3］。這3 種方法經驗性都比較強，目前很少有以工藝試驗方法對大型浮選機定子焊接結構骨架進行焊接變形控制的研究，所以本文的研究對于定子焊接骨架的工業制造具有十分重要的經濟意義。

在定子焊接骨架制造過程中發現不同的焊接順序和反變形方法對定子焊接骨架的變形都有不同程度的影響。本文通過工藝試驗找出合理的預留反變形量和焊接順序來控制定子的焊接變形，通過經驗數據直觀地指導工人生產，節約反復校型的生產成本，提高產品質量的穩定性。

1 定子焊接骨架焊接過程的試驗研究

1.1 試件的選取及制備過程

本文研究的定子焊接骨架是底盤和24件葉片組成，定子焊接骨架外直徑／內直徑：2255 mm／ 1745 mm，整體高度：731 mm。底板厚度為30 mm的Q345B鋼板，葉片為厚度為20 mm的Q345B鋼板，其鋼材化學成分及力學性能分別如表1 和表2 所示［4］，其結構如圖1 所示。

表1 Q345B級鋼板主要化學成分Tab.1 Main chemical constituents of Q345B steel plate

表2 Q345B級鋼板的力學特性Tab.2 Mechanical properties of Q345B steel plate

本實驗的重點是考察定子焊接骨架的彎曲變形，所以結合定子焊接骨架的特點取其一片作為考察的試驗對象進行研究。通過研究1 片葉片與底盤的焊接彎曲變形來推測整個定子的彎曲變形趨勢，再根據定子焊接骨架的彎曲趨勢進行反變形設計，最終達到焊接變形控制。

從圖1中可以看出，葉片與底盤的接頭形式為T型接頭。而葉片設計成K型坡口，坡口尺寸為：8 ×45°，焊腳尺寸：15 mm。為了易于試件的制備，本文用T型接頭工藝評定試件來代替葉片與底盤的焊接接頭形式，長度為300 mm，高300 mm，具體如圖2所示。

圖1 定子骨架的三維示意圖Fig.1 3D schematic diagram of stator frame

圖2 葉片T型接頭Fig.2 Diagram of blade T－shaped welded joint

T型試件主要采用OTC－EP500 MAG焊機焊接，主要焊接參數為：焊接電流240 A，焊接電壓22 V，焊接速度35 cm／ min，多層多道焊接。焊縫主要受縱向收縮應力和橫向收縮應力，其收縮應力能使構件發生變形。根據構件縱向焊縫引起的彎曲撓度的計算，可按照下式進行［5］：

式中：f為構件撓度；e為焊縫中心到截面中性軸的距離；qv為焊接線能量，L為構件長度；I為截面慣性矩。

經計算得f＝0.00337 mm，根據經驗縱向焊縫收縮引起的彎曲撓度在直徑為2255 mm的圓環上的應變可以忽略不記，但是在底盤上存在縱向收縮的殘余應力。

根據焊接經驗及計算結果可以判斷，定子骨架焊接變形主要是T 型接頭焊縫橫向收縮變形引起的，為了避免工人操作影響，本實驗組織了3 人共計12 組試件，在每件試件上取9 組，共計108 組寬25 mm的試樣，試件部分取樣如圖3 所示。

圖3 T型接頭取樣試件Fig.3 T－joint sampling specimen

1.2 試件焊接變形的測量和結果

由于本試驗重點分析T 型焊縫橫向收縮引起的彎曲變形，所以主要測量T型接頭的翼板彎曲角度（采用JL820 高精度計量級數顯傾角儀測量，分辨率：0.001°）。其中焊縫橫向收縮量與彎曲變形角度有一定經驗關系，可參照下列經驗公式粗略估算［6］：

式中：SH為翼緣對構件水平中性軸的靜距；c為參數（多層焊時，c＝0.6）；t為翼板板厚；K為焊腳尺寸。

經計算理論值約0.15°，而實際測量角度如表3 所示。由表可知，12 組108 件試樣的實測值約為0.24°，比理論計算值大37.5%，實際角度大了0.09°。單一差值0.09°對于本實驗的試件來說幾乎可以忽略，但是24 件T型角接頭彎曲角累計誤差為2.16°，此角度就能很明顯地造成底盤內環向上凸，形成類正圓臺結構的變形結果。

表3 試驗測試結果Tab.3 Test results

從試件的試驗測量結果得知，長300 mm 的T 型角接頭起始端和終止端角度變化幾乎不變，焊接采用直道多層角焊接對本試驗的橫向收縮角變形的影響幾乎可以忽略（注：底盤厚度30 mm，未考慮K型坡口焊接順序對腹板的影響）。

2 焊接試件反變形量的分析與確定

葉片結構焊接變形的測量和預測的目的是為了有效控制定子骨架焊接變形。為了便于在生產實踐中操作，預先計算或估算出反變形量，即預先在焊接變形的相反方向施加一定的變形量，以達到減少和消除焊接變形。

為了確定反變形量，本文采用如圖4所示的單葉片結構的焊接模擬試件。焊接參數如下：焊接電流為240 A，焊接電壓22 V，焊接速度30 cm／ min，焊角采用多層多道焊。根據本文的測試結果可知焊縫橫向收縮角變形量為0.24°。本文采用500 t 的雙缸液壓折彎機對單葉片結構翼板進行預彎，折彎刀的壓頭半徑為5 mm，下角度分別為179.5°、179°、178.5°、178°。每組各3件焊接試件，合計為4組共計12件；試件實際折彎角度測量結果如表4所示。從表中可以看出折彎后翼板有0.2°左右的回彈量，最小變形角度為0.2°，最大為1.8°。

表4 翼板折彎角度測量Tab.4 Flat bending Angle measuring meter

圖4 單片葉片的焊接Fig.4 Welding diagram of single blade

對制作好的單片葉片結構按照組別及技術要求進行鉚裝，依照要求的焊接工藝參數進行焊接，其中要求試件保持自用約束狀態。冷卻后分別測得各焊接試件的角變形量，具體如表5所示。

表5 焊接后翼板殘余角變形量Tab.5 Residual angular deformation of wing plate after welding

從實際測試結果來看，翼板反變形為179.5°，焊后翼板殘余角變形小于0.02°，基本滿足反變形工業要求。即定子骨架底板每個葉片的鉚裝位置預壓角變形為179.5°可以作為工業生產預反變形操作。由于定子骨架底板為直徑2255 ／ 1755 mm的圓環，預變形后圓環變成類正圓錐管狀，內側上翹約19 mm，即底板成錐狀。其反變形后的形狀對定子裝配提出了難題。為解決裝配難題，設計了預定位裝配專用工裝，不僅能保證葉片裝配位置，而且能防止焊接過程中定子骨架發生扭曲變形，保證片上端在同一個平面上。

3 定子骨架焊接焊接過程及分析應用

定子骨架由24 件葉片組成，焊接順序采用兩人“十字對稱” 焊接進行［7］，按照制定的工藝參數進行焊接。冷卻后，打開工裝對定子骨架進行測量，在測量過程中發現先焊接的葉片頂端尺寸小約5 mm，后焊接的葉片頂端尺寸大約3～4 mm。隨后對葉片焊接位置的底板進行測量發現：第1組焊接的葉片底板殘余角變形約為0.03°，第2～8組焊接的葉片底板角變形小于0.02°，第9～12組葉片底板角變形量為－0.01°，不平面度約為2 mm。

從測試結果來看定子在整體焊接后，焊接變形量明顯減小，尤其是中間幾組的焊接變形量控制的非常好，焊后變形量基本上接近工藝設計公差，也和理論試驗值相差無幾。根據底板的測量結果來看，先焊接的預變形量有點大，后焊接的預變形量有點小，即整個定子骨架不同葉片位置的焊接底板變形不均勻。在隨后的工業制作過程中，在預定位裝配專用工裝上曾加預支緊量和拉緊力量來克服焊接變形的不均一性，來達到反變形控制的要求，具體工件實物如圖5 所示。

圖5 定子骨架實物Fig.5 Physical picture of stator skeleton

與傳統火焰矯形、機械矯形相比，采用預留反變形法可將焊接變形量控制在允許的范圍內，能節省繁瑣的焊后矯正工序。

4 結束語

本文研究的目的是為定子骨架的焊接變形尋找一種簡便有效的工業反變形控制方法，制定詳細的實際生產工藝，具體結論如下。

（1）通過模擬葉片焊接試驗，得出翼板高度超過300 mm，構件縱向焊縫引起的彎曲撓度為f＝0.00337 mm，可以忽略不計，和葉片試驗的結論一致。

（2）T型角接頭焊接試驗得出焊縫橫向收縮量產生彎曲變形角度實際值比理論值大約37.5%，可以指導定子骨架焊接反變形量的確定。

（3）通過工業試驗確定了定子底板反變形角度為179.5°，主要焊接工藝參數：焊接電流240 A，焊接電壓22 V，焊接速度35 cm／ min，焊接順序采用十字對稱焊接。

綜上所述，該工業試驗確定了定子骨架的焊接變形量，確定了生產工藝，該工藝不僅方法簡便、經濟合理，而且大大減輕了焊后調形的勞動強度，提高了工人勞動效率，節約了生產成本，提高了產品的質量。