大型结构件焊接变形控制方法

1、焊接技术第37卷第6期2008年12月收稿日期:2008-02-26文章编号:1002-025X (200806-0054-03·焊接质量控制与管理·0前言大型结构件在实际生产中是指体积庞大、自身质量大、由结构钢焊接而成的零部件,随着机械工业的发展,大型结构件在工业生产中被广泛应用。在工程机械产品中,大型结构件是产品的骨骼,如挖掘机的中间架、履带架、斗杆、伸长臂和铲斗等都是由大量尺寸与规格不等的钢板焊接一起而成的结构件。大多数结构件在焊后需经机加工才能使用,所以对焊接后的部分尺寸精度和位置精度的要求比较高。如图1所示的EX230型挖掘机超长臂,由46件片件(零件焊接而成,外

2、形尺寸为:9917mm ×1535mm ×725mm ,自身质量为2080kg 。图1中所示3组主要销轴孔的尺寸精度和位置精度要求较高,孔间距的公差仅为±2mm ,各组孔的中心线平行度为1.0mm ,3组孔需要在焊接后一次装夹镗削加工而成。但是由于生产时焊缝比较多,且结构复杂、焊接量较大,容易发生扭曲变形,如果变形量不能控制在一定的范围内,则3组销轴孔在镗削加工时就会因没有余量而无法加工,造成产品报废。因此控制焊接变形一直是大型结构件生产制造中的重点、难点。本文就结合工程机械中的一些典型零部件的生产,对大型结构件的焊接变形种类与原因进行分析,并提出一些有效的控制变

3、形的方法。1焊接变形的种类在实际生产过程中,结构件的焊接变形主要有收缩变形、弯曲变形和扭曲变形。具体焊接件会出现哪种变形,与焊接件的结构、焊缝布置、焊接工艺及应力分布等因素有关。(1收缩变形收缩变形是焊接变形的基本单元,焊缝的冷却过程是焊缝由液态转化为固态的过程,转化的过程中将产生焊接应力和焊缝体积缩小的现象,从而导致焊后焊接件外形尺寸减小。收缩变形主要发生在简单结构的焊接件焊接中,由于焊缝少、焊缝的方向基本一致,使得各条焊缝收缩的方向一致,焊后仅出现收缩变形,使得焊件外形尺寸减小。(2弯曲变形弯曲变形是由多条焊缝的内应力和收缩变形结合的最终结果,多发生在焊接件外形细长且横截面的上下尺寸相差较

4、大或焊缝分布不对称,以及焊接次序不合理的焊接件的生产中。如工程机械的履带架、挖掘机斗杆的焊接,主要出现的是弯曲变形。(3扭曲变形大型结构件焊接变形控制方法左延红1,王双平2(1.安徽建筑工业学院机电系,安徽合肥230601;2.安徽水力开发股份有限公司,安徽蚌埠233010摘要:对大型结构件焊接变形的种类和变形原因进行了详细的分析,然后介绍了在生产中单独或综合运用工艺参数法、工装模具法及反变形法,来有效控制大型结构件的焊接变形。通过对大量工程机械部件的生产实践,证明这3种方法均可以有效地控制大型结构件的焊接变形、提高产品质量和合格率。关键词:大型结构件;焊接变形;控制方法中图分类号:TG457

5、.21文献标识码:B图1EX230型挖掘机超长臂外形示意图2360±215357340±2991772554扭曲变形是大型结构件焊接中最突出的焊接变形,由于大型结构件多数是框架式结构,焊缝布置不对称、板件尺寸不均匀、焊缝布置无规律,致使焊缝内应力的方向不一致、大小不均匀,焊件变形的位置与方向难以预测,最终呈现扭曲变形。如挖掘机的铲斗、摊铺机的熨平板,其焊后主要产生的是扭曲变形。2焊接变形产生的原因焊接变形不仅影响产品的外观和使用,过大的变形量还会导致焊件的报废,而造成直接的经济损失,这种现象在大型结构件的焊接中更为突出。要想有效地控制焊接变形,前提是必须要找到焊接变形的原因

6、所在,然后才能采取相应的控制方法。焊接变形的原因比较复杂,主要有焊接应力影响、结构设计不合理、工艺制定不合理等因素。(1焊接应力:焊接应力是焊接变形的根源,每条焊缝都会产生一定大小和方向的焊接应力,焊缝结构越复杂,结构件焊接时产生的焊接应力大小、方向就越难以预测,焊接时易出现不均匀膨胀,焊缝冷却时呈现不均匀收缩,从而产生复杂的焊接应力和焊接变形。(2结构设计不合理:结构件的设计不合理是焊接件焊接变形的一个主要原因,结构设计中焊缝数量多、焊缝截面大、焊缝位置不对称都会使焊接变形加大。(3工艺制定不合理:焊接工艺的制定是焊接件特别是大型结构件生产的重点和难点,它不仅影响着产品的生产效率,更重要的是

7、直接影响着产品的质量。焊接工艺中的很多环节都对焊接变形有着至关重要的影响,如焊接设备的选择、焊接参数的选定、焊接顺序的制定、工装夹具的选用等,在制定焊接工艺时都需要认真、仔细考虑,所以说制定一个好的焊接工艺不仅需要丰富的理论知识,还需要丰富的焊接生产经验。3焊接变形的控制方法在实际生产中,大型结构件特别是工程机械中的大型结构件的结构和焊缝布置要比教科书和一些相关技术资料上所叙述的复杂得多。不同的焊接件由于外形、焊缝数量、布置及尺寸不一样,焊接变形的变形方式和变形量也不一样,采取的焊接变形控制措施也各不相同。但是总的来说,对于大型结构件的焊接变形控制方法来说,除了在结构设计上要遵循焊缝数量尽量少

8、、焊缝截面尽量小、焊缝位置要对称的三原则外,大多采用工艺参数法、工装模具法、反变形法或者3种方法的综合运用来有效地控制大型结构件的焊接变形。3.1工艺参数法焊接工艺参数法是减少焊接应力和控制焊接变形的常用方法,对控制焊接变形起着重要的作用。大型结构件焊接中注重工艺的布置和焊接参数的选用,具体包括以下几个方面:(1尽量采用较小热输入的焊接方法,如多层焊和CO2气体保护焊,焊接时采用跳焊和分段焊法;(2选择合理的焊接顺序,尽量采用先内后外、从中间到两端、先短后长的对称焊接方法,使工件受热均匀;(3不同的材质之间焊接时,可以采用焊前预热、焊后回火的方法消除焊接应力;(4根据不同的材质、板厚和焊接位置

9、与焊缝类型,合理选用焊接工艺参数,尽可能将焊接电流控制在下限值,以减小热输入。3.2工装模具法工装模具是大型结构件焊接中不可缺少的设备,它不仅能够提高生产效率、减轻工人的劳动强度,重要的是可以有效地控制焊接变形。在实际生产中,工装模具主要有以下3种:(1搭焊平台:大型结构件的焊接工艺,一般分为搭焊和焊接两步,搭焊是为了在焊接前固定各零件在工件中的位置,采用片件间点焊的方式使工件形成一个牢固的框架结构,由于框架结构承受焊接变形的能力远远强于平面结构,这样就大大提高了焊接件在焊接时抵抗变形的能力。为了有效确定搭焊时各个片件(零件的位置,保证工件的主要尺寸精度和位置精度,生产中多运用搭焊平台进行工件

10、的整体搭焊,图2所示的就是ZX200型挖掘机铲斗在搭焊时所用的搭焊平台。55焊接技术第37卷第6期2008年12月图2铲斗搭焊平台示意图(a 搭焊位置示意图(b 搭焊平台侧视图(2焊接变位机:大型结构件的外形尺寸和其自身质量都比较大,在焊接时很难调整工件的位置。为了提高生产效率和焊缝质量,生产中常运用焊接变位机根据需要改变工件的空间位置,任意调整工件焊缝的位置,使焊缝处于最佳水平焊接状态,保证焊缝质量和焊接工艺性。图3所示的是挖掘机铲斗在焊接时所使用的焊接变位机,在焊接过程中可以带动铲斗在空间旋转,不断调整焊缝位置,使每条焊缝均处于最佳焊接状态。(3焊件夹具:大型结构件在搭焊和焊接时,工件和各

11、片件(零件在自身质量和焊接应力的作用下,很难保证位置固定不变,因此焊接件的各个片件(零件除了用搭焊平台定位外,还需要有效地夹紧,以提高工件抵抗变形的能力。因此大型结构件在生产中还需使用各种通用夹具(如C 形夹和专用夹具(如在焊接中保证铲斗斗底尺寸的专用撑杆,保证焊接的精确性和可靠性。3.3反变形法由于焊缝在冷却过程中的收缩,致使焊接后工件外形尺寸减小,为了弥补焊接中产生的收缩量,在大型结构件的生产中常采用反变形法。这种方法是在生产中预先制造一个变形,使得这个变形量与焊后发生的变形方向相反而变形量基本相等。如生产图4所示的VB1250型摊铺机熨平板时,图样要求焊后的主体长度尺寸(两侧板的外形尺寸

12、为(1470±2mm ,以保证焊后机加工两侧板的加工余量,尺寸过大,则机加工后两侧板偏薄;过小,则没有加工余量,因此过大过小都会造成产品报废。经试验发现,如果搭焊后尺寸为1470mm ,则焊接冷却后,尺寸只有14681466mm ,收缩量为24mm 。为了保证焊接后尺寸在尺寸公差范围内,笔者采用反变形法,即用搭焊平台控制搭焊后主体长度尺寸为1473mm ,这样焊接冷却后,尺寸基本控制在公差范围内。4结束语焊接变形本身就是很复杂的课题,由于大型结构件的尺寸和自身质量大、焊缝分布复杂,控制大型结构件的焊接变形就更加困难,而且大型结构件的生产成本较高,只有降低产品的报废率,才能提高产品生产的经济性,因此控制大型结构件的焊接变形就显得更为重要。以上是大型结构件的生产中常采用的几种控制焊接变形方法,通过在工程机械的一些大型结构件(如挖掘机