基于焊接變形控制的筒體結構及焊接工藝優化

霍雷，任有路

中鐵工程裝備集團隧道設備制造有限公司 河南新鄉 453000

1 序言

工程機械產品具有設計結構強度高、使用工況惡劣、產品使用過程中受動載荷的作用較明顯的特點，這就導致工程機械產品對設計結構、結構強度等有較高的要求。在產品設計中，基于產品的使用性能，不得不對產品的設計結構和設計強度進行特殊要求。針對筒體類產品，目前國內基本采用4件筋板搭接結構和折彎U形件對接結構兩種設計結構，基材采用高強鋼或超高強鋼，坡口采用全熔透設計，以保證筒體的設計強度，這樣就對焊接工藝提出了較高的要求。在實際生產中，為保證筒體的制造成品率，普遍采用增加板件厚度的方法，即將基材板厚加大，焊接后再加工筒體四側外表面的工藝方法，但這樣就會造成基材的大量浪費，同時焊接變形并沒有得到實際控制。因此，有必要針對此類產品筒體的設計結構和焊接變形控制工藝進行研究。

2 筒體結構及焊接變形分析

某產品的筒體長度4 ～5 m，橫截面尺寸≤350m m×250m m，筒體整體采用上下兩端的折彎U形件對接結構，對接處開設（板厚－1）mm×60°的對接坡口，坡口焊縫焊接成形，保證焊縫的焊接質量和結構強度。同時，為了保證筒體的使用性能，焊后需對筒體的四側外表面進行機械加工，且機械加工后的壁厚≥（板厚－2）mm，平面度、直線度均≤0.5mm；對筒體的焊接和外表面的機械加工要求很高。為了保證筒體的結構強度和使用強度，雖然設計時選用BS700或Q690等高強度鋼作為基材，但由于筒體內部需穿過支撐千斤頂，筒體內部不能設置橫筋結構，所以只能選擇采用中空結構，如圖1所示。

圖1 筒體橫截面

由于焊接是一種局部加熱的工藝過程，焊接時對接焊縫處因被局部加熱而產生膨脹，受到周邊冷金屬的約束不能自由伸長，因此產生了壓縮塑性變形。冷卻時這部分金屬不能自由收縮，在筒體內部會產生殘余應力[1]。在殘余應力的作用下，筒體向內側產生收縮變形趨勢，由于筒體內部中空、沒有筋板，內部缺少對對接焊縫收縮變形的支撐作用，因此筒體在橫截面的Y軸方向產生自由收縮變形，導致焊接后筒體兩側對接面處變形內凹。又由于筒體較長，達4～5m，焊接時在整條對接焊縫方向上受熱不均，產生的焊接應力也大小不均，因此導致筒體兩側面形成中間內凹的蛇形變形面，單側面整體焊接變形量為4～6mm，嚴重影響了焊后的機械加工，最終導致筒體制造的報廢率高達90%以上。

3 筒體變形控制局限性

針對此設計結構，除了施加焊接反變形、合理配置焊接參數、合理設計焊接順序等焊接工藝措施外，常用的焊接變形控制方法是增加焊接工裝[1-3]。

（1）在筒體內部增加工裝 為了有效控制焊接變形，需要在筒體內部的整條對接焊縫上增加工裝，但由于筒體內部空間太小，橫截面尺寸≤350mm×250mm，且焊后工裝四周與筒體內側面為面接觸，摩擦力太大，則筒體內部的工裝無法取出。若采用自動化工裝，則由于橫截面尺寸太小，工裝根本無法裝入。因此，無法在筒體內部使用工裝。

（2）在筒體外部增加工裝 在筒體對接面外側增加工裝，如焊接橋板控制焊接變形等，則會引起兩大主要問題，一是影響筒體的焊接，造成筒體大量的補焊，進而造成二次焊接變形。二是筒體焊接后，在切割去除橋板的過程中，會對筒體外表面造成無法避免的切割傷害，影響筒體的強度和質量。同時，火焰切割過程也會對筒體造成變形傷害和材料強度損失。因此，在筒體外側面焊接橋板等工裝的方法也不可取。

綜上可知，鑒于該設計結構的局限性，常用的增加焊接工裝進行焊接變形控制的方法不可行。

4 筒體結構優化

為了保證產品用途，提升產品的生產工藝性、制造可行性，降低產品的制造難度，必須考慮對產品的設計結構進行優化。

（1）增加壁厚余量 由于原圖樣設計要求焊縫全焊透，同時要求筒體加工至壁厚≥（厚度－2）mm，機械加工后的直線度、平面度、垂直度等均≤0.5m m，板材厚度公差余量不足，機械加工要求太苛刻，筒體生產制造過程中的誤差累計超過2mm，生產工藝性太差，無法保證原圖樣設計要求。為了提升產品的生產工藝性，提升產品的制造成品率，降低產品的制造成本，增加壁厚加工余量，將產品設計的公差余量由≤2mm提升至≤3mm，即將筒體加工后的壁厚由≥（厚度－2）mm降低至≥（厚度－3）mm，保證產品的機械加工可行性。

（2）增加內側筋板 由于筒體長4～5m，板材較薄，內部中空，筒體內部缺少對焊縫的支撐約束，筒體組對時的錯臺誤差無法消除，筒體的焊接收縮變形難以控制，因此極難達到原圖樣的焊接、機械加工要求，因此必須在筒體內部增加筋板，同時必須保證筋板不能影響內部千斤頂的通過，也不能影響對接焊縫的全熔透。在筒體內部增加的筋板如圖2所示。

圖2 內側增加筋板

筋板采用激光切割機下料，筋板的長度和寬度尺寸應保證筒體組對后的外形尺寸，筋板中間的長孔保證筒體內部千斤頂的自由穿行，筋板兩側的小圓弧位于對接焊縫位置處，保證不影響焊縫的焊接成形。筒體對接焊縫方向每間隔600～800mm設置一塊筋板，筒體縱向整體設置6～7塊筋板（見圖3），以控制筒體的焊接變形。

圖3 筒體內置筋板

5 筒體焊接工藝

5.1 焊接工藝過程

（1）焊前清理 焊前清理筒體待焊表面及焊縫兩側，打磨焊縫及焊縫兩側30～50mm內產生金屬光澤，不得有影響焊接質量的鐵銹、油污、水及涂料等異物。

（2）焊前準備 室內焊接時確保環境溫度≥5℃，焊接工位風速＜2m/s。焊前進行局部預熱，預熱至100～150℃，預熱范圍為焊縫兩側各100mm左右。采用富氬混合氣體保護（80%Ar＋20%CO2）的焊接方法，使用GHS-70級焊絲，焊絲直徑1.2mm。

（3）焊接順序 為了減小筒體的不均勻溫度場，增大焊縫與空氣的接觸面積，使焊后焊縫的熱量盡快散失，控制筒體的焊接應力[4]及縱向焊接變形，筒體縱向焊縫采用交替法、間斷性焊接[5]，從兩端向中間分段跳焊，逐段將整條縱焊縫焊滿，焊接順序如圖4所示。

圖4 縱向焊縫焊接順序

為了減小焊接應力對筒體外形的作用，控制筒體的橫向焊接變形，筒體兩側的對稱焊縫采用對稱性焊接，一側焊完一層后，翻轉焊接另一側焊縫，焊完后再翻轉焊接這一側焊縫，依次類推。焊縫厚度方向分多次逐步將兩側焊縫焊滿，不允許一次性焊滿一側焊縫后再焊接另一側焊縫，焊接順序如圖5所示。

圖5 兩側焊縫焊接順序注：1～6為焊接順序。

（4）焊接過程 全位置焊接打底焊縫，保證焊縫成形均勻，焊縫高度3～4mm。隨后進行焊后檢查，若焊縫有夾渣、氣孔和裂紋等缺陷，則必須去除缺陷焊縫后重新焊接。清理打底焊縫表面焊渣飛濺后進行填充焊和蓋面焊，采用多層多道焊接方法，后一焊道壓住前一焊道焊縫的1/3～1/2，焊縫的接頭處錯開距離≥8～10mm，焊接時控制焊縫層間道間溫度為100～250℃，當溫度＜100℃時，需停止焊接、重新加熱。

（5）焊后處理 焊后焊縫表面覆蓋石棉被保溫，筒體冷卻后，清理焊縫表面及周圍，確保無裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷及明顯的焊渣飛濺，焊縫與母材交接處圓滑過渡。

5.2 焊后質量檢測

（1）焊縫外觀質量檢測 筒體焊接完成后，進行外觀質量檢查，焊縫成形均勻，接頭勻直，焊縫表面沒有出現裂紋、氣孔、未熔合、夾渣及明顯的焊渣飛濺等焊接缺陷。筒體外形尺寸變形量為0.5～1mm，焊縫對接處內縮變形約1.5mm，三維坐標檢測筒體表面的平面度≤1.5mm，筒體整體的焊接變形量滿足圖樣設計公差要求。

（2）焊縫內部檢測 對焊縫內部進行超聲波檢測，得到焊縫的有效熔深≥板厚，滿足圖樣設計的焊縫全熔透要求，焊縫內部未出現GB/T 29712—2013《焊縫無損檢測 超聲檢測 驗收等級》規定的2級超標缺陷，焊縫質量達到2級要求。

6 結束語

通過對筒體設計結構進行優化，將筒體壁厚加工余量增加至≤3mm，在不影響千斤頂穿過筒體內側的情況下，增加橫向筋板，提升了產品的生產工藝性。焊接時選擇合適的焊接工藝，并通過多層多道焊接，縱焊縫交替法、間斷性焊接，以及對稱焊縫對稱性焊接等焊接工藝措施，能夠有效地控制筒體的焊接變形，滿足圖樣設計要求的幾何公差，同時能夠有效地保證對接焊縫的焊接質量。

該筒體設計結構和焊接工藝優化方法，已通過我公司產品的生產試驗和批量驗證，經優化后的筒體，提升了產品的生產工藝性，保證了產品的焊接與機械加工質量，產品的一次制造合格率由≤10%提升至≥90%，極大地提升了產品的制造成品率。實踐證明，該筒體設計結構和焊接工藝優化方法是合理可行的，對于同類產品或類似產品焊接變形問題的解決，具有積極的意義和實踐參考價值。