大型箱體結構件的焊接變形控制研究

張冰冰，陶 李

（合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 概述

本文所述大型箱體結構件指自身體積龐大、質量重大、由碳素結構鋼焊接而成的具有箱體結構的零部件。隨著機械工業的發展，大型箱體結構件在工業生產中被廣泛應用，特別是在鍛壓行業，絕大多數壓機的上下梁都采用此種結構。

由于二氧化碳氣體保護焊（二保焊）具有焊接變形小，對水、鐵銹的敏感性不大，焊接過程操作方便，焊接速度快，生產效率高，有利于實現焊接過程中的機械化和自動化等特點，所以此類結構件多采用二保焊進行焊接。

焊接變形是焊接過程中因焊接工件受到不均勻的溫度場的作用而產生的形狀、尺寸變化。焊接變形不但可能引發工藝缺陷，而且在一定條件下將影響結構的加工精度、尺寸穩定性和承載能力。因此，控制焊接變形是工程中的一個重要問題。

2 焊接變形的種類

在實際生產過程中，結構件的焊接變形主要有收縮變形、彎曲變形和扭曲變形。具體焊接件會出現哪種變形，與焊接件的結構、焊縫布置、焊接工藝及應力分布等因素有關。

2.1 收縮變形

收縮變形是焊接變形的基本形式。焊縫的冷卻過程是焊縫由液態轉化為固態的過程，轉化過程中將產生焊接應力和焊縫體積縮小的現象，從而導致焊后焊接件外形尺寸減小。收縮變形主要發生在簡單結構的焊接件中。由于焊縫少、焊縫方向基本一致，使得各條焊縫收縮方向一致，焊后僅出現收縮變形，使得焊件外形尺寸減小。

2.2 彎曲變形

彎曲變形是由多條焊縫的內應力和收縮變形結合的最終結果。主要是由于結構上焊縫布置不對稱或焊接件斷面形狀不對稱，多條焊縫收縮不一致引起的變形。彎曲變形的大小用撓度f 進行標示，撓度f是指焊后焊件的中心軸偏離焊件原中心軸的最大距離。如圖1 所示，工件下方有焊縫，上方沒有，由于收縮不一致導致工件出現上拱彎曲變形。

圖1 焊接應力導致的上拱變形

2.3 扭曲變形

扭曲變形是大型結構件焊接中最典型的焊接變形，由于此類結構件多為箱體框架結構，焊縫布置不對稱，板件尺寸厚度不均勻，焊縫布置無規律，致使焊縫內應力的方向不一致，大小不均勻，焊接變形的位置和方向難以預測，最終出現扭曲變形。

3 焊接變形的影響因素

3.1 焊縫分布的影響

一般來講，焊縫在設計時應將焊縫的位置設計成均布焊縫，如果焊縫位置分布不均勻，焊縫密集區的焊接應力大于稀疏區的應力，就會使兩區域的焊接變形量不一樣，焊接應力不能相互平衡。因此，設計焊縫時，應使焊縫盡量對稱于構件截面的中心軸或使焊縫接近中心軸，可減小彎曲變形。

3.2 組焊件剛度的影響

一般來說，剛性大的結構件，焊接變形小；結構剛性小的構件，焊接變形大。結構剛度取決于結構件截面的形狀和尺寸，因此在箱式結構件鉚裝焊接時要考慮整體的剛度。

3.3 焊接坡口形式的影響

焊縫越長焊接變形就越大；坡口尺寸越大,變形就越大；裝配間隙越大,焊接變形也越大。焊接時,應在滿足技術要求的前提下,選擇坡口尺寸較小的焊縫。對于裝配間隙大的結構件可采用中間加筋板的形式來減小焊接變形。

3.4 焊接順序的影響

不同的焊接順序焊后將產生不同的變形量，在施焊時總體上應遵循的原則是焊縫對稱時，應采用對稱焊接，焊縫不對稱時，應先焊焊縫少的一側。在焊接時還應采取下列焊接技巧方法：（a）分段退焊法；（b）分中段退焊法；（c）分段跳焊接法；（d）交替焊法；（e）分中對稱焊接。如圖2 所示。

圖2 不同焊接順序的對接焊縫示意圖

3.5 焊接工藝參數的影響

焊接中，同樣的焊件，同樣的焊工，焊接工藝參數不同所產生的焊接變形也不同。單層焊、大電流、焊條移動速度慢、擺動幅度大、停留時間長,所產生的變形要大一些；而多層和多道焊，小電流、快速、焊條不擺動，則焊后變形小，因此在焊接時要根據焊件的結構情況采用合適的焊接參數。

4 焊接工藝控制案例分析

如圖3 所示箱體式結構件是某行業常見結構形式，通常由底板、頂板、中間腹板、加強筋板、四周圍板以及周圍的一些搭子組成。根據以上焊接變形的影響因素，分別從設計角度和工藝角度制定了下列控制焊接變形的措施。

圖3 某行業中很常見的組焊件結構形式

（1）設計角度控制措施：盡量把結構設計成對稱結構，焊接位置對稱分布。

（2）工藝角度控制從以下幾個方面進行：①能開雙面坡口的盡量開成雙面坡口，減小焊接量，這樣既可以減小焊接變形，又能提高焊接質量；②鉚裝時盡量使結構件的剛度增大后再進行焊接，因此安排了下面的裝配順序：第一步先以底板為底，在底板上依次裝件11、件9、件6、件8、件20、件10、件19后，蓋上頂板（件5），點焊固定。組成一個剛性比較大的整體后，然后再焊接，這樣焊接時由于結構對稱，焊接內應力可以相互牽制，焊接變形就會比較??；③焊接操作時，由不同的焊工在對稱位置施焊，采用分段退焊和分段跳焊的方式施焊，焊縫不要一次性焊滿，通過多次翻轉焊接來減小焊接變形；④通過多次翻轉，使焊接位置處在水平位置焊接（平焊）。打底時選用小電流，用?1.2 的焊絲打底，用?1.6 的焊絲進行填充、蓋面。

采用以上一系列防變形措施后，焊接后的結構件變形控制良好。

5 結束語

焊接變形本身是很復雜的課題。由于大型結構件的尺寸和自身質量大、焊縫分布復雜，控制大型結構件的焊接變形就更加困難，而且大型結構件的生產成本較高，只有降低產品的報廢率，才能提高產品生產的經濟性。因此控制大型結構件的焊接變形就顯得更為重要。