圓盤類薄壁組件的焊接變形控制工藝研究

高云喜，唐喜榮，侯彪正，譚小艦，李增勛，許阿雷，趙立平，賀 敏

(中國兵器內蒙古北方重工業集團有限公司，內蒙古 包頭 014033)

圓盤組件由厚度為6 mm的30CrMnSiA材料組焊而成，因其形狀比較復雜，在未采用裝焊工裝和有效的焊接工藝措施情況下進行了自由狀態的焊接，導致焊接完成后發生了嚴重的焊接變形，變形量離平臺表面距離高達25 mm以上，造成先期2件座盤直接報廢，后經過自制夾具雖然變形量得到一定程度的控制，但仍超出了設計技術要求，為了確保后續生產和類似結構件的焊接順利進行，積極開展圓盤薄壁組件在焊接前、焊接過程中以及焊接后變形控制技術研究，及時解決制造過程中的工藝技術瓶頸，具有非常重要的現實意義。

1 圓盤薄壁組件裝焊工裝的設計與制造

根據圓盤薄壁組件結構[1](見圖1和圖2)，以輪轂組件內孔為基準定位，定位環用螺釘與銷子固定在本體上，中心與本體中心重合；座板的定位是靠內孔與輪轂組件中的輪轂板外圓配合定心，下平面落在夾具本體墊板上，與輪轂組件底面齊平。由于座板錐面大，底平面小，穩定性差，因此在錐面下設置16個可調支撐。支撐采用斜鐵，并帶有滑道，保證了斜鐵角度與錐面相吻合；為了保證加強筋與座板上8個孔的相對位置，利用限位板與加強筋配合，再通過插銷與座板上8個孔定位保證相對位置。

輪轂組件采用三點式專用壓板，零件受力均勻，夾緊可靠。座板的夾緊是根據16個調整支撐墊位置，設置相應壓板，壓板帶有墊塊，墊塊與零件接觸面為斜面與零件互補，壓板兩點支撐，壓緊穩定可靠。為了裝夾迅速，壓板都配有快換墊圈，可達到快速裝夾。

圖1 圓盤薄壁組件結構示意圖

圖2 輪轂組件結構示意圖

組件定位裝夾后，可在夾具上進行焊接，為了保證每個焊道都能施焊，在工裝本體底板上開設4個腰型槽，保證座板與輪轂組件間焊道的施焊。具體設計圖樣模擬如圖3a所示，實物圖如圖3b所示。

a)設計圖

2 圓盤薄壁組件樣件的焊接

2.1 焊接前對樣件裝配的技術要求

圓盤薄壁組件由輪轂組件、座板、支撐板和加強筋組成，其零件材料均為30CrMnSiA[2]。因零件經過了調質處理，所以裝配零件前，在裝配預焊時，一定要檢查零件的外形尺寸，原則上應在滿足圖樣設計要求后才能進行裝焊。但因目前控制薄壁零件熱處理手段落后，往往不能滿足設計要求，需要在裝焊過程中進行控制，一般在裝焊前，允許零件的變形量最大不超過圖樣規定的4 mm，否則應退回上道工序重新進行矯正處理；滿足技術要求后的零件在裝配前，應清理焊接部位及周圍20 mm范圍內的氧化物，可采用手動砂輪機進行打磨清理，保證焊接部位露出金屬光澤；在平臺上利用裝焊夾具進行裝焊時，一定要露出所有組件的焊接部位，保證焊槍的可達性，裝焊好后進行裝配尺寸的檢測，符合圖樣要求后方可進行焊接；裝焊應在環境溫度≥10 ℃、濕度≤60%的室溫條件下進行，且無穿堂風。

2.2 樣件裝焊順序的確定

依據裝焊工裝設計原理，結合圓盤組件結構，其裝焊順序確定如下。

1)輪轂組件的裝焊順序(見圖2)：先把輪轂套筒按圖示插入到帶止口的輪轂板中，找正到位后進行預焊，再將輪轂頂板插入到輪轂套筒中，對齊上平面，找正到位后進行預焊。在焊接時，用壓板先把輪轂板壓緊到裝配平臺上，并連續完成輪轂板與輪轂套筒一周焊縫的填充焊接；在輪轂板與輪轂頂板之間一周均勻分布6處拉筋，點固焊后再完成輪轂頂板與輪轂套筒一周焊縫的填充焊接。焊接完成后帶拉筋一起進行350 ℃回火，去掉拉筋轉機械加工。

2)樣件的裝焊順序：在樣件裝焊工裝上先把座板與輪轂組件進行裝配，通過可調式斜鐵上下調整，保證座板內孔與輪轂組件內孔同心，底面與焊接夾具底面緊密貼合，找正后用螺栓壓緊，并修磨座板焊接部位，使其接縫最小，然后倒坡口進行預焊；其次，按圖示位置把加強筋分別與座板、輪轂組件進行裝配，利用定位板實現加強筋均布放置，對齊兩端面，保證垂直后進行預焊；把加強筋與輪轂組件、座板以及座板的焊縫采用小規范、分段焊接完成后，最后裝配支撐板。裝配支撐板時，8個槽順利嵌入到加強筋中，并與輪轂組件內孔斷面齊平，找正到位后進行預焊，并采用小規范、分段交叉方法完成焊縫的焊接。裝焊過程如圖4所示。

圖4 裝焊過程圖

2.3 樣件的焊接[3]

1)焊接方法：采用熔化極CO2氣體保護焊，直流反接。

2)焊接材料：低合金高強鋼焊絲，牌號為PK-YJ707A，直徑為1.6 mm。

3)保護氣體：CO2氣體，純度≥99.3%。

4)焊接環境要求：焊接在室溫下進行，環境溫度≥10 ℃，濕度≤60%，無穿堂風。

5)焊接前，所有焊接部位及周圍20 mm范圍內進行油污、氧化物的清理，直至露出金屬光澤。

6)焊接工藝參數見表1。樣件在焊接中的圖片如圖5所示。

表1 圓盤組件焊接工藝參數

圖5 樣件在焊接中的圖片

3 圓盤組件樣件的焊后熱處理

為了防止圓盤組件因強行裝配產生較大的焊接內應力引起焊接變形，應進行焊后去應力熱處理[4]。在裝焊工裝上把焊接完成的圓盤組件連同工裝一起進行整體回火，其回火溫度控制在350 ℃±10 ℃，保溫時間為4 h?；鼗饻囟瓤赏ㄟ^溫度表顯示進行控制，當達到回火溫度后，通過時間表來檢查回火時間，等回火時間達到規定時間后立即斷電或關閉燃氣，確保樣件隨爐逐漸緩冷。熱處理后拆卸掉工裝后的樣件如圖6所示。

圖6 熱處理后拆卸掉工裝后的樣件

4 圓盤組件樣件熱處理后主要外觀尺寸的檢測

熱處理完成后的樣件放置在檢驗平臺上進行檢測，圓盤組件底面與平臺表面距離可用高低尺和塞尺混合使用進行檢測。樣件的檢測示意圖如圖7所示。

a)樣件實物

在焊接完成的樣件上選取11個點進行實際測量(見圖7b)，其具體測量結果見表2。

表2 圓盤組件底面與平臺表面距離測量結果表 (mm)

(續表)

5 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)采用的裝焊工裝設計合理，有些裝夾方法采用了先進的設計理念，并用快換墊圈進行裝配，有效提高了裝配效率和質量；裝焊工裝可操作性強，可把裝配精度比較低的零件通過工裝的適當調節達到圖樣設計要求。

2)采用的小規范、分段交叉焊接、整體回火等工藝措施正確有效，對后續薄壁零部件的焊接變形控制具有指導作用。

3)焊接熱處理后對樣件進行檢測，圓盤底平面變形量控制在0～3 mm以內，完全符合圖樣設計要求，樣件交驗合格率為100%。