大尺寸結構件焊接變形控制

張治國 滕 達 郭寶玉 郭利新 劉樂威

（河南能源化工集團重型裝備有限公司，開封 475000）

PC模臺具有面積大、厚度小、臺面平面度要求高以及焊接變形不易控制等特點。臺面平面度要求≤2 mm，常規工藝通常采用焊后整體加工臺面的方法保證臺面平面度，存在生產效率低、成本高以及加工難度大等缺點。模臺拼焊過程中，臺面平面度是制作過程中的控制重點，也是制造企業一直研發攻關的難點。河南能源化工集團重型裝備有限公司2020年承接臺面板厚t12、長×寬為5.6 m×3.9 m 的PC模臺制作。臺面板厚薄，若通過焊后加工的方法保證平面度，會導致臺面板厚減小，影響使用強度。為控制焊接變形，通過各種焊接變形控制措施證明，在保證一定的反變形前提下，采取剛性固定和合理焊接順序的方法可以有效控制焊接變形量[1]。

1 模臺結構分析

PC模臺結構如圖1所示，分別由臺面、框架以及移動軌道組成。根據焊接變形大小，將模臺臺面分為A區域、B1～B4區域以及C1～C2區域共7部分。從模臺臺面（圖1）可以看出，此PC模臺臺面尺寸較大，臺面板厚小，只通過焊接變形控制措施保證臺面平面度≤2 mm難度較大。

圖1 模臺臺面外形示意圖

2 拼裝方法

下料時，使用鋸床下料，保證橫向型材下料尺寸、拼裝間隙≤2 mm，避免拼裝間隙過大產生過大應力，引起焊接變形。拼裝前使用平臺復檢槽鋼和工字鋼平面度，保證全長平面度≤1.5 mm。

為保證臺面平面度，先準備拼裝平臺，使用測平儀及等高鐵找平焊接平臺。拼裝時，以平臺為基準，先拼裝模臺框架。模臺臺面一側按圖紙要求緊貼平臺拼點，定位焊后復檢各件與平臺之間間隙，保證各件與平臺間隙≤ 1 mm。將臺面放在平臺上，使用測平儀或3 m以上板尺配合塞尺測量臺面平面度。本次研發過程中使用長3.5 m的加厚鋁合金加厚板尺及塞尺測量平面度，保證對角及各位置平面度≤1.5（框架自重可改善臺面鋼板平面度）。在臺面上劃框架定位線，吊框架在臺面定位線處，保證拼裝間 隙≤1.5 mm·m-1。

3 焊接順序

為減少焊接變形，降低焊接殘余應力，在保證焊縫強度前提下，本次采用二氧化碳氣體保護焊、ER50-6焊絲、小電流、電壓進行斷續焊焊接。焊接遵循先里后外、先短后長、分段退焊的焊接順序原則。由中心向外均分，對稱焊接。大于1 m的長焊縫采用分中對稱退焊法。定位焊、焊接均按此順序[2]。

4 焊接變形控制措施及焊接變形大小

在PC模臺項目焊接時，分別采用無束縛自由焊接收縮、反變形法、剛性固定法等方法對焊接變形進行分析研究，得到實驗數據。

4.1 無束縛自由焊接收縮

在無束縛自由收縮狀態下焊接時，焊接變形情況如圖2所示。從圖2和表1不難看出：臺面在A區域無明顯變形，可以滿足平臺使用要求；B和C區域變形量超過2 mm。 C1～C2區域是變形量最嚴重，變形量在3～6 mm；B1～B4區域內主要是對角線方向尺寸超差，變形量在1.8～4.5 mm，橫向尺寸受到C區域影響導致部分尺寸超差。從上述分析可以看出，模臺焊接變形控制主要在于C1～C2區域焊接變形的控制。通過無束縛、無反變形情況下焊接變形分析，可為采取焊接變形控制措施提供依據[3]。

圖2 無束縛自由焊接收縮變形區域

4.2 反變形法

為把B區域、C區域焊接變形控制在2 mm范圍內，拼框架時，使用4 mm等高墊板按照圖3方法進行拼裝。在保證A區域平面度前提下，控制B區域、C區域反變形量約4 mm。框架定位焊后進行加固焊接，然后拼點臺面。焊后變形量，如表1所示。可以看出，B區域、C區域焊接變形雖然得到改善，但臺面平面度仍不能滿足使用要求。主要原因在于反變形法是臺面局部反變形，在B和C區域之間有明顯的折彎點，焊后臺面呈現凸凹不平的波浪變形，影響A區域的平面度，不利于批量生產質量的穩定性。

圖3 反變形法示意圖

表1 不同區域不同焊接方法焊接變形量（單位/mm）

4.3 剛性固定法

由于模臺臺面較大，在焊接應力及槽鋼和工字鋼內應力影響下，焊后變形量呈現多樣化。另外，臺面較長，火焰矯形和機械矯形難度大，所以選擇合理焊接變形控制措施是保證模臺焊后平面度滿足使用要求的關鍵[4]。

通過對模臺無束縛自由焊接收縮變形量和反變形法焊接變形分析，反變形法對模臺焊接變形有一定的控制作用。結合上述兩種變形情況，按照圖4方法，將兩件拼點好的模臺臺面對臺面、中間墊6 mm墊板、使用6～8件卡子打緊，使寬度兩側臺面貼緊。按照要求焊接順序焊接，焊后去除卡子。使用3.5 m長加厚鋁合金板尺、塞尺測量焊接變形如表1所示，只有B1區域對角線變形量3 mm超過模臺使用要求，其余均在2 mm范圍以內。通過在B1區域局部進行火焰矯正，測量后平面度≤2 mm，滿足平臺使用要求。使用剛性固定反變形法控制模臺的反變形量，可以預防焊接過程中在焊接應力作用下引起的多樣化焊接變形，同時可以保證焊后臺面存在1～2 mm向上的撓度，焊后在模臺自重作用下保證臺面平面度。

圖4 剛性固定法示意圖

經過批量生產驗證，使用剛性固定法控制PC模臺焊接變形，變形分布情況為約80%變形超差的區域為B1～B4對角線區域，約20%變形超差的區域在C1～C2局部位置，均可通過火焰矯正方法對面板平面度進行校正[5]。

5 結論

（1）焊接變形較為復雜，針對不同結構件、不同焊接方法焊接變形控制措施差異較大，對于特定的結構件可以從焊接變形規律和焊接變形分布情況分析驗證，尋找合理的控制措施，使其滿足產品的使用要求；

（2）焊接變形控制措施如焊接順序、反變形法、剛性固定法等方法的合理配合使用，可以有效控制大尺寸結構件變形量；

（3）在一定反變形條件下剛性固定，通過合理的焊接順序，可以控制大尺寸結構件焊接變形。