挖掘機薄板結構件焊接變形分析及控制方法

高二慶 李 蒙 翁正干 王 倩

（徐州巴特工程機械股份有限公司，徐州 221110）

挖掘機是工程機械的重要施工設備，廣泛應用于建筑工程、城市改造、園林施工以及水利建設等基礎施工當中，為國民經濟增長起到了巨大作用。挖掘機中承受整機重量的下部行走底架、上部旋轉平臺、動臂、斗桿以及其他工作裝置零部件均為焊接結構件，其中上部旋轉平臺中的側圍板結構（本文稱為裙架）因整體為開放式框架結構，加之整體板件較薄（板厚5～12mm），焊接過程中變形較大，造成修型很困難，甚至無法修型合格而報廢[1]。為解決上述問題，本文對裙架制造過程中影響變形的工序進行分析，特別對焊接工序中不同區域焊縫對裙架變形的影響進行了試驗，從而優化焊接工藝順序，并通過增加適當反變形進行工藝控制，取到了良好效果。

1 挖掘機裙架變形分析

1.1 挖掘機裙架結構及變形分析

挖掘機上部旋轉平臺由上車架和下車架組成，其中上車架由中心支架及左右兩側圍板結構件（本文統稱為裙架）組成，如圖1所示。左裙架主要用來安裝駕駛室與散熱器；右裙架主要用來安裝燃油箱、液壓油箱以及工具箱等。裙架為薄板非封閉框架式結構，絕大多數零件板厚為5～12mm，焊接過程中極易產生變形。

經裙架樣件焊接分析，裙架結構件發生變形類型主要為收縮變形和扭曲變形。收縮變形主要發生在兩側板間上部，當兩側板周圍進行焊縫焊接時，焊縫由液態轉化為固態，這個過程中焊縫體積逐漸縮小，焊接件不斷產生焊接應力，造成焊接件外形尺寸逐漸減小，即收縮變形，變形量約為6mm；扭曲變形主要發生在長圍板上，長圍板長度約為4000mm、最薄板厚為12mm，為減少熱輸入，通常設計為斷焊，但在焊接處，因受焊接應力影響，容易發生扭曲變形，即沒有焊縫位置發生鼓包。

1.2 變形驗證及變形控制措施

在焊接過程中，薄板結構件焊接變形主要是受熱變形與剛性條件影響，所以要想完全消除焊接變形是不太容易實現的[2]。為了進一步確保裙架后續裝配使用及成品質量，必須從制造工藝入手，對焊接變形加以控制。

2 裙架薄板結構件的制造工藝

裙架薄板結構件制造工藝如下：切割—割坡口—調平—鉆孔—折彎—拼點—焊接—修型—入庫。在上述工序中，

直接或間接影響焊接變形的工序有：切割、調平、折彎、拼點、焊接。若切割、調平、折彎質量不合格，會導致后續拼點閃縫過大，當焊接熱輸入時，閃縫處焊接收縮會過快而引起焊接變形量較大。而拼點的位置、數量、焊接方法、焊接參數以及焊接順序直接影響焊接變形量。因此，從制造工藝方面控制焊接變形，上述因素都是考慮和控制對象。另外，根據變形量和變形位置，合理的反變形也是重要控制方法。筆者針對各工序控制關鍵點進行詳細分析。

圖1 上車架結構

2.1 切割工序

工程機械薄板結構件切割常用等離子切割和激光切割技術，其中激光切割法更具優勢，這是因為激光切割時熱源比較集中，切割速度也很快，所以切割時具有較小的熱作用，其殘余應力也相對較小，不易產生變形。而采用等離子切割技術的板邊會形成不平整現象，焊后板子中間會有鼓包情況出現，相反激光切割技術在焊后表面相對比較平整。由此可見，切割的精度和焊接間隙對薄板焊接質量具有很大影響。本文研究的裙架產品，板厚≤12mm，采用激光下料。

2.2 折彎工序

根據折彎件尺寸，合理選擇折彎設備與折彎參數，生產過程中嚴格控制折彎件質量，以便后續拼點。在折彎完畢后，進行檢驗確認，質量合格后開始下一工序。

2.3 拼點工序

拼點閃縫對焊接變形影響較大，該裙架系列產品嚴格控制拼點閃縫平均尺寸≤1mm，局部最大不超過2mm。

2.4 焊接工序

根據徐州巴特工程機械股份有限公司生產實際情況，采用混合氣體保護焊接工序，其中電流為240±10A、電壓30±2V、焊絲0.9mm。樣件試制時，按照上述要求進行控制，焊接變形依然很大，主要是圍板扭曲變形，且無規律性。因此焊接順序制定是研究重點，為了找出長圍板焊接變形規律，針對性的做了三次試驗，如表1所示，其中涉及到的零件名稱、焊縫位置以及變形量如圖2、圖3所示。

根據以上三次試驗結果及結論，制定了反變形控制措施：第一，設計簡易反變形工裝，在裙架兩端以及裙架中部，即變形量最大的位置施加壓力進行反變形控制，如圖4所示。根據批量試驗，圍板變形量降到2.5～3.5mm，經適當修型后，圍板變形量≤2mm，孔位置度合格，滿足實際裝配要求及成品質量要求。

表1 長圍板焊接變形驗證

圖2 長圍板焊縫圖

圖3 長圍板變形量

圖4 反變形工裝

3 結語

本文對液壓挖掘機裙架進行了結構介紹及變形分析，對引起焊接變形的因素進行了試驗，另外對圍板周圍焊縫進行了試驗研究，找出了變形規律，設計了反變形工裝，并應用于實際焊接工作中。通過驗證發現，通過反變形工作能夠將變形控制在一定范圍內，經適當的修型，滿足了產品裝配及客戶要求，為裙架系列產品批量生產打好了基礎。