減少導軌支架焊接及退火變形技術研究

鄭娜娜，趙 乾，段云龍，張 寧

(1.駐長治地區軍事代表室，山西 長治 046012；2.駐北京地區軍事代表局，北京 100166)

0 引言

焊接應力與變形是直接影響焊接結構性能和制造工藝性的重要因素。掌握焊接應力與變形的規律，了解其作用及影響，采取措施控制或消除，對焊接結構的完整性設計和制造工藝方法的選擇及運行過程中的安全評定都有重要意義。

在航天制造企業中，導軌支架作為軍工關鍵零組件的重要組成部分，它的加工精度直接影響產品的性能。目前導軌支架采用傳統焊接方法，在焊接過程中極易發生彎曲變形，嚴重影響裝備產品的生產質量和效率。為此進行了減少導軌支架焊接變形的研究，設計工藝裝置，將左副導軌和右副導軌放置在一起進行焊接及退火，利用兩者之間焊接反變形，降低左副導軌和右副導軌的焊接及退火變形。

1 現狀調查及目標確定

1.1 現狀調查

某導軌支架模型如圖1所示，分為左副導軌和右副導軌，材質為38CrMoAl，導軌需調質處理HBS280～HBS320，表面氮化處理，表面硬度不小于HV850，氮化層厚度不小于0.5 mm，平面度為0.04 mm，平行度為0.15 mm。導軌生產過程工藝流程為：焊接及退火—粗加工—調制熱處理—精加工—表面滲氮處理。其中焊接及退火工序尤為重要，焊接過程控制關系產品變形量，焊后退火可有效消除焊接應力、改善焊縫組織和綜合性能，直接影響導軌的綜合性能。傳統加工工藝是將左副導軌和右副導軌分別進行焊接及退火處理，在焊接前各尺寸及形位公差均能滿足圖紙尺寸要求，但進行焊接及退火后，導軌發生變形，各尺寸及形位公差無法滿足要求。

圖1 導軌支架模型

1.2 目標確定

本文提出了一種導軌支架焊接及退火防變形工藝裝置，以減小導軌支架在焊接及退火過程中的變形，達到以下目的：

(1) 左副導軌和右副導軌同時進行焊接，通過兩個背靠背導軌的反變形力控制導軌的變形。

(2) 焊接完成后無需拆卸工裝設備，將左副導軌、右副導軌與工藝裝置一同進行退火處理，控制導軌在熱處理環節的變形。

(3) 導軌調質硬度HBS280～HBS320，表面氮化處理，表面硬度不小于HV850，氮化層厚度不小于0.5 mm，平面度為0.04 mm，平行度為0.15 mm。

2 制定對策

導軌支架為細長異型小截面盒型結構件，焊接和退火過程中容易產生彎曲變形，本文從定位方式選取、焊接變形控制、減少工裝拆卸次數、增加剛性支撐方面考慮制定對策(見表1)，對導軌支架焊接及退火過程進行變形控制，以保證產品尺寸。

表1 減少導軌支架焊接及退火變形技術對策

3 對策實施

本課題導軌支架的左副導軌和右副導軌為細長異型小截面盒型結構件，為了減小焊接和退火過程中的變形，設計工藝裝置進行變形控制。工藝裝置主要由底座、立柱、槽面壓塊、壓緊螺釘、螺柱、槽鋼等組成，其三維模型如圖2所示，實物如圖3所示。工作時先用螺釘將立柱與底座連接在一起，保證擰緊到位；再將產品緩慢放置于底座上，用壓緊螺釘、槽面壓塊壓緊產品，保證產品側面與立柱側面貼近；之后用螺釘、螺柱將壓板與產品上端面壓緊，進行焊接；最后翻轉工藝裝置(帶產品)180°，焊接副導軌支架底部縫隙。

圖2 工藝裝置三維模型

圖3 工藝裝置實物

3.1 定位方法的設計

本裝置采用中間設置定位塊的方法實現導軌側面定位，兩側設置槽面壓塊實現導軌側向壓緊，底座上表面鋼板精加工實現導軌底部定位，上端面設置壓板實現導軌上下夾緊。定位方案如圖4所示。

圖4 導軌支架定位方案

3.2 焊接變形控制

焊接變形是由于焊接過程中工件受熱不均勻引起的，本文從工藝裝置結構、焊接方法等方面入手，通過焊接反變形法分析、焊接順序優化研究進行焊接變形控制。

(1) 反變形法。左、右副導軌為細長型對稱件，焊接過程極易發生彎曲變形，設計工藝裝置將兩者背靠背放置，利用產生的反變形來補償焊接變形損失。

(2) 焊接順序調整。結合產品對稱結構特點，優化焊接順序，采用先兩端后中間、先內部后外部、先焊短焊縫后焊長焊縫和對稱焊方式進行焊接控制，減小焊接變形。

3.3 減少工藝裝置拆卸次數

導軌支架中左、右導軌副焊接時焊縫位置較多，傳統的焊接方法需要多次拆卸工裝以滿足焊縫位置要求。本工藝裝置設計在滿足定位裝夾要求的情況下，合理地避讓焊縫位置，實現“零拆卸”完成所有焊縫的焊接，有效減小焊接變形量。焊縫避讓示意圖如圖5所示。

圖5 焊縫避讓示意圖

3.4 熱處理變形控制

為使導軌支架焊接應力趨于平衡，消除焊接殘余應力，需增加去應力低溫退火熱處理工藝。同時，為防止導軌支架退火過程中產生較大變形，焊接完成后無需拆卸工裝，將工藝裝置與導軌支架一同進行退火處理。工藝裝置作為剛性支撐在退火過程中能夠有效提高產品的整體剛性，減小熱處理變形。

4 結論

通過本課題研究，導軌支架焊接和熱處理變形控制收到了預期的效果，導軌調質硬度達到HBS280～HBS320，表面氮化處理后，滿足表面硬度不小于HV850、氮化層厚度不小于0.5 mm、平面度0.04 mm、平行度0.15 mm的技術要求。