大型復雜框體成型控制技術研究

李臣達，高 楊，賈江鵬，李志敏，崔衛則，賈彥奎

(1.山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治 046012；2.火箭軍裝備部駐長治地區軍事代表室，山西 長治 046012)

0 引言

輕量化是地面制造裝備發展的必然趨勢,鋼結構框體自重輕、抗震性能好、施工周期短,廣泛應用于大型裝備生產中。大型復雜鋼結構框體主要由矩形管和H型鋼等組焊而成,具有結構尺寸特別大、開口型變形不易控制、剛性弱、壁薄、機加工形位公差精度高、接口尺寸多和裝夾定位困難等特點,框體呈多節點相貫連接的枝狀構造結構,各枝狀節點焊縫集中,因應力集中導致焊接變形復雜。因此,焊接變形控制是框體制造的主要難題之一[1-3]。本文重點介紹框體結構特點及工藝流程,分析產生焊接變形的原因及影響因素,并制定控制焊接變形措施,并成功應用于大型復雜框體焊接,取得了較好的效果。

1 結構特點及工藝流程

框體為桁架結構,主要由端板、對接立梁、橫梁和斜筋等組成。某框體外形尺寸為4 500 mm×2 300 mm×11 000 mm,材料為Q345A優質合金結構鋼,其結構示意圖見圖1,由位于4個邊角的4根主立梁、用于2個框體對接的2根對接立梁、中間部位26根橫梁、40根斜筋及厚端板拼接組焊而成,框體焊縫主要以角焊縫、對接焊縫為主。

圖1 框體結構示意圖

對接立梁為架體重要受力桿件,各橫梁、斜筋焊接位置集中于對接立梁桿件上,在焊接過程中極易產生角變形、扭曲變形、局部或整體變形。若焊接變形得不到有效控制,將直接導致框體整體外形尺寸及橫梁與分型面夾角嚴重超差,即便是分型面連接橫梁、安裝面預留機加工余量,但如果變形較大,在機加工過程中很可能出現“過加工”或“欠加工”的情況,導致機加工部位厚度不一致甚至加工不起來,以致于無法通過機加工序達到成型尺寸要求。因此,對于類似支撐多節點相貫連接的枝狀構造結構,對零件下料、組對、焊接變形控制提出了較高要求,需要合理設置焊接工藝流程。

2 框體焊接變形原因及影響因素

框體焊接變形主要分為兩種:縱向收縮變形和橫向收縮變形。縱向收縮變形是指縱向縮短,主要發生在對接立梁與橫梁焊接處;橫向收縮變形是指橫向縮短,主要發生在對接立梁與橫梁,對接立梁、橫梁與斜筋焊接處。影響焊接變形的主要因素是焊接方向和焊接順序。適當地改變焊接方向,可以使局部焊縫造成的變形減小或相互抵消,從而達到減小總體變形的目的。此外,應盡量采用對稱焊接,以減小先焊焊縫在焊件剛性較小時造成的變形。

3 焊接變形控制

3.1 預留焊接收縮量

考慮到焊接枝點較多,各零件組焊過程中存在焊接收縮,零件成型應預留焊接收縮量,分型面兩端對接立梁應預留10 mm焊接收縮量,各零部件組焊后,框體整體成型精度由機加工序保證。

3.2 正確的焊接規范

整個焊接過程中,為了有效防止變形,組件選用臥式焊接,采用熔深大、焊接熱影響區小而熱敷效率高的CO2氣體保護半自動焊的工藝方法,并配合合理的焊接工藝參數,采用手工焊或焊接機器人,焊絲為ER50-6,直徑Φ1.2,焊接參數見表1。在保證焊縫質量的前提下,焊縫高度不要過大以減少焊接變形。

表1 焊接參數

3.3 合理的焊接順序

框體組焊時,為使焊接變形減到最小,應確定好合理的裝焊順序。首先,對接梁、加強筋、對接板組成對接梁組件,兩件對接梁組件背靠背點固并焊接,焊后校直,同時短縱筋和相應加厚塊組成短縱筋組件,焊后校直;其次,在裝點焊接定位工裝上裝點焊接對接立梁、橫梁、斜筋等件。測量長度方向焊接收縮量,裁掉多余部分后焊接厚墊塊、端板等其余件。焊接過程中應使用弓形夾等夾具夾緊各對接立梁與橫梁等相接位置。

框體組焊焊縫以短角焊縫和對接焊縫為主,焊縫數量多且集中。要求4～6名焊工同時從中間向四周對稱焊接,先焊對接立梁與橫梁收縮量較大的對接焊縫,再焊對接立梁、橫梁與斜筋之間角焊縫。長度方向由中間向兩端施焊,寬度方向左右交替或左右對稱施焊。機器人焊接時分區域從中間向兩端施焊,兩側筋板交替對稱焊接。焊后校平直。

3.4 工裝控制

半框點焊定位工裝橫截面圖及局部視圖如圖2所示。在長度方向設置11處支架,在寬度方向采用快速夾鉗、定位塊和F夾鉗對對接立梁進行限位,保證對接立梁位置不動。同時,半框點焊定位工裝中支架外側寬度方向尺寸采用機加工保證,從而保證半框內檔距離尺寸的精確。半框點焊定位工裝支架上放置對接立梁與橫梁面均為機加工面,嚴格保證工裝精度在±0.2 mm之內。

圖2 半框點焊定位工裝橫截面圖及局部視圖

3.5 校形

對于局部變形大的區域進行校形。校形應首先進行粗校,然后進行總體校形,并應先從變形最嚴重的部位進行。為了保證框體順利機加工裝配,校形應保證在工藝預留的機加工余量范圍內。

3.6 去應力退火

由于框體是框架焊接結構,組焊后框體內存在大量內應力,為保證加工精度和尺寸穩定性,在加工前對框體整體進行退火熱處理,以消除或減少焊接內應力。為了保證框體剛性,工藝撐桿隨框體進行退火,且各弧框底部必須支平墊實。冷卻后再拆除工藝撐桿,以減少框體整體變形。

3.7 焊接變形量測量

本文對4個框體進行了焊接變形量測量。考慮長直焊縫焊后收縮,對接立梁總成零件下料時長度尺寸應加8 mm焊接收縮余量。表2為框體各方向變形量數據。工藝要求對接立梁厚度20 mm按45 mm執行,在高度方向留25 mm機加工余量,通過分析表2高度方向焊接變形量可知,25 mm機加工余量可保證后續機加工要求。

表2 框體各方向變形量

4 結束語

通過對框體焊接變形的形成原因進行分析,采用合理的焊接規范、焊接順序可有效地控制焊接變形;通過校形、焊后去應力退火,能夠有效釋放應力,減少焊接變形;通過零件留加工余量,有效地控制了對接面平面度。通過現場實際生產,驗證了該工藝方法合理、可靠、操作靈活,提高了焊接工作效率,減小了框體焊接變形量。本技術為減少框體焊接變形提供了很好的理論及實際方法,可在框體的焊接加工中推廣應用。