長箱形結構箱體焊接變形控制及研究

于前, 吳香清, 胡妞

（中聯重科股份有限公司，長沙 410013）

0 引言

箱型結構是工程機械焊接結構件中最常用的結構，大型箱體結構焊接后焊縫縱向收縮、橫向收縮以及撓曲不可避免，這些變形是結構件在焊接生產中最常出現的問題。焊縫金屬在焊接冶煉過程中，焊接熱輸入將引起工件不穩定、不均勻的溫度場，同時由于焊縫母材受到焊接工裝等外部約束作用，近焊縫區產生拉應力，而在遠離焊縫的區域內產生壓應力。當焊縫的縱向收縮產生的壓應力達到臨界失穩應力時，將發生失穩的焊接變形[1-2]。長箱形結構箱體焊接變形后不僅影響外觀形狀、降低裝配質量，引起干涉，且箱體結構變形后無法通過機械矯正消除，只能通過打磨蓋板等來消除干涉，給生產帶來了極大的困擾和額外的返修工作量[3]。變形嚴重的甚至會導致結構無法使用，只能報廢，造成生產浪費。因此，研究長箱形結構箱體焊接變形控制方法顯得極為重要。

1 長箱形結構箱體結構介紹

本文主要研究泵車支腿上使用的長箱形結構箱體焊接變形，其箱體主要是由4塊高強鋼板材拼焊組成，包含左腹板、右腹板、上蓋板及下蓋板，如圖1所示。

圖1 長箱形結構箱體結構示意圖

2 長箱形結構箱體變形原因分析

2.1 來料精度

組成箱體結構腹板是焊接組件，自身尺寸受對接焊影響，精度較差。左右腹板都是先單獨銑邊，再對接組焊而成，拼焊后發生變形，引起腹板直線度大于1 mm。將蓋板與腹板組成箱體時，腹板上拱部分將蓋板頂起，下凹部分使上、下蓋板與腹板的貼合間隙大于1 mm，這些間隙較大，難處理，焊后對收縮力抵抗較差，將引起箱體收縮變形。

上、下蓋板平面度差，會導致組箱后蓋板凹陷位置與腹板連接處出現間隙，間隙位置受焊后收縮力影響，容易使箱體發生變形（類似于腹板直線度引起的變形）。

2.2 剛度及約束度

焊件剛度和約束度對焊接應力和變形影響較大[4]，剛度越大，焊接變形越小，殘余應力越大；剛度越小，焊接變形越大，殘余應力越小。剛度是焊件本身具有的抵抗變形的能力，它與結構件截面慣性矩和母材的屈服極限相關，構建截面慣性矩越大，剛度越小；母材屈服極限越大，構件的剛度越大，反之則剛度越小。因此長箱形結構箱體所選用母材材質強度越高，越有利于減少變形。

圖2 長箱形結構箱體腹板直線度差導致變形

拘束度是指焊接構件以外的外部物體對構件的約束程度。拘束度越大焊接區域金屬無法自由熱膨脹，壓縮塑性變形小，焊接變形小。長箱形結構箱體腹板與蓋板之間無其余結構件約束，擺搭完成后轉入箱體外側4條主焊縫焊接工序，箱體外焊縫較長，熱輸入大，焊后收縮無外力拘束，焊后變形較大。

2.3 熱輸入

焊接變形主要是因結構件在焊接過程中受熱不均、冷卻收縮引起。閆俊霞等[5]結合實際試驗對焊接失穩變形的原因進行了較為細致的分析，研究表明熱輸入是焊接變形的主要影響因素。焊接線能量是熱輸入的直接體現，焊接線能量越大，說明熱輸入量大，焊接變形增大。通過Tendon Force的概念[6]計算如公式F=200Q可知，單道焊接的縱向收縮力同焊接單位長度的熱輸入線能量呈正比，即熱輸入越大，焊接變形的驅動力越大。其中：F為縱向收縮力，N；Q為單位長度熱輸入，即線能量，J/cm。

長箱形結構箱體主焊縫傳統焊接方式為采用4 mm打底+4 mm填充+15 mm填充蓋面（如圖3），填充蓋面單道焊接線能量相當大，焊接縱向收縮力F相當大，變形大。通過對改善前焊接工藝生產的100件長箱形結構箱體下蓋板翹起尺寸測量，發現超過50%產品下蓋板外端翹起尺寸在1.5 ～2.5 mm，最嚴重的達3.6 mm，無法滿足質量要求。

圖3 現有焊接方式

2.4 焊接返工

厚板焊接，由于坡口及焊腳尺寸大，焊縫成型時更容易產生氣孔、咬邊、未焊滿、外觀成型不良等焊接缺陷，這些缺陷都需要先徹底清除，并修磨出焊道后，再補焊。返工焊接缺陷的二次熱輸入相當大，并導致箱體局部受熱，冷卻時局部收縮嚴重，變形量大。大部分返修工作均不在產線內工裝上進行，工件返修時屬于自由狀態，并無外部約束力，因此返工對焊接變形影響非常大。

長箱形結構在焊接時，出現頻次最高的是咬邊缺陷。主焊縫焊腳達12 mm，外焊縫為減少變位機翻轉次數，改善前焊接工藝是將長箱形結構箱體平放，在平焊位置焊接，由于焊液自身重力作用，上端焊趾位置由于焊液填充不夠或不及時，容易產生溝槽，形成咬邊，也容易產生焊腳不對稱等缺陷。因此減少焊縫咬邊產生，有利于減少焊接返工和控制箱體局部變形。

3 變形控制措施

3.1 控制來料尺寸

圖4 不同焊接位置焊接效果

對零件來料進行控制，禁止變形大于1 mm零件流入焊接崗位，將變形大于1 mm零件校正符合要求后再轉入組箱工序。

腹板焊件由2塊腹板對接而成，且留有高度余量。將腹板加工工藝由先加工零件高度余量，再對接腹板改為先對接焊2塊腹板再整體進行余量加工，控制腹板焊件直線度小于0.5 mm，減小上、下蓋板與腹板的貼合間隙，進而減少焊后箱體收縮變形。

上、下蓋板先校平，確保平面度小于0.5 mm后再組箱，減少蓋板與腹板連接處間隙，減少箱體焊后收縮變形量。

3.2 焊接工藝支撐增加約束

焊前將工裝調整到位，不宜過擠，也不宜過松，應確保工件放入焊接工裝后在未壓緊狀態下，零件與工裝定位銷、定位塊、壓緊塊之間的間隙小于0.5 mm，避免工裝自身與零件過定位的擠壓變形，同時給與工件外部約束。

針對箱體結構中的長直線焊縫形式，在現有條件的基礎上，在長箱形結構箱體內頭尾部焊接工藝撐固定，增加剛性固定約束，焊后24 h再割除，可減少箱體焊接過程中的扭曲變形及凹凸變形。

3.3 控制焊接熱輸入

焊接熱輸入是導致結構件焊接變形的根本原因，控制焊接熱輸入的關鍵在于調整焊接線能量，即調整焊縫單位長度上輸入的能量。焊接線能量計算公式[7]為:q=IU/v，其中：I為焊接電流，A；U為電壓，V；v為焊接速度，cm/s；q為線能量，J/cm。線能量反映了焊接電流、電弧電壓和焊接速度三大焊接關鍵工藝參數對焊接熱循環的影響。本文設計多組試驗，通過調整電流、電壓、焊接速度來控制單道最大焊接線能量，控制焊接變形量。綜合考慮生產效率，采用3道焊接完成C11+12 mm角焊縫，試驗參數及變形結果如表1和圖5所示。

表1 支腿箱體焊接試驗

通過圖5可看出，第一組焊接方案為改善前焊接方式，單道焊接線能量最大，變形量達3.6 mm，優化后，第七組焊接方案單道最大焊接線能量最小，變形量僅為0.6 mm，滿足設計要求。

圖5 長箱形結構箱體焊接線能量/變形量關系

3.4 提升焊接質量

通過焊前點檢焊接設備、焊槍、保護氣、焊絲等，清理焊道及附近30 mm范圍內油污銹層，嚴格按照工藝要求焊接參數進行焊接，預防氣孔、咬邊、未焊滿等焊接缺陷產生。

焊縫在平焊或船型焊接位置進行焊接，可提高焊縫成型的穩定可靠性，提高焊縫外觀合格率，減少返工。

提升長箱形結構箱體焊縫焊接尋位及跟蹤技術。機器人焊接要實現穩定的焊縫質量，需要保證焊絲始終指向規定角度即略偏向底板1°～2°位置，在密集的電源間磁場干擾下，傳統的焊絲接觸尋位和電弧跟蹤，無法滿足穩定焊接的精度要求，因此在機器人上集成激光跟蹤系統，并根據箱體焊縫結構形式，調試獨有的焊接自動補償參數以確保穩定的焊接質量。

綜上，通過控制焊前處理、焊接位置及提升長箱形結構箱體焊縫焊接尋位和跟蹤技術，可提升焊接質量，減少返工，從而減少焊接變形。

4 結論

研究表明，通過改善和過程工藝控制，可大幅減少箱體焊接變形量，使焊接結構滿足質量要求。

1）通過控制來料尺寸誤差、腹板鈍邊尺寸，優化腹板加工工藝，可減少零件組合間隙，減小變形；

2）通過焊接工裝及焊接剛性固定支撐，增加約束，可減少一部分變形；

3）通過合理安排焊道數，調整焊接電流、電壓、焊接速度來控制熱輸入，優化熱輸入后，單道最大焊接線能量降低到改善前的43.4%，變形量可減少83%，并穩定在1 mm以內，滿足質量要求；

4）控制焊前處理、更改為船型位置焊接及提升長箱形結構箱體焊縫焊接尋位和跟蹤技術可提高焊接質量，減少返工，進而減少焊接變形。