工字梁車架焊接變形控制

□ 汪 超

泰安航天特種車有限公司 山東泰安 271000

1 研究背景

為滿足特種汽車輕型、重載、高可靠性的要求,筆者公司某型號特種汽車車架采用了材料為510L汽車大梁鋼板的工字梁全焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計。車架采用工字梁全焊接結(jié)構(gòu),橫梁采用箱式結(jié)構(gòu),具有較好的抗彎曲能力,承載能力強,可靠性高。車架焊接制作過程中焊接量大,焊接變形大,若不采取控制措施,則后期整形難度大,焊接過程中熱冷收縮導致的車架長度尺寸變化甚至可能無法挽救,延誤生產(chǎn)進度,浪費人力財力,還會導致車架報廢。為控制工字梁車架焊接變形,提高車架制作尺寸精度,筆者開展了工字梁車架焊接變形控制研究。

2 車架結(jié)構(gòu)形式

某型號特種汽車車架為全焊接框架式結(jié)構(gòu),縱梁為工字形斷面,橫梁為箱式結(jié)構(gòu)。車架寬度為1 m,全長在10 m以上,主要由左右縱梁焊合、各橫梁、駕駛室支撐焊合、前后板簧支座焊、前油缸支腿橫梁焊合總成、后油缸支腿橫梁焊合總成、轉(zhuǎn)向器支架焊合、各種上裝支座、各種功能支架等組成。車架長度長,上部焊接量大,上下部焊接量不均衡,因此焊接變形不易控制,極易產(chǎn)生扭曲變形,影響車架直線度、平面度等。

3 變形分類

車架生產(chǎn)過程中的焊接變形主要分為兩類。

(1)工字梁焊合焊接變形。工字梁長度長,四條縱向長角焊縫焊腳尺寸大,焊接量大,焊接完成后容易出現(xiàn)上下翼板兩端內(nèi)拱變形,以及整體扭曲變形。

(2)車架總成焊接變形。車架橫梁與縱梁組焊時引起縱梁收縮、扭曲變形,上下部焊接量不一致,導致車架的平面度不滿足要求。

4 工字梁焊接變形控制措施

經(jīng)分析,工字梁焊接變形產(chǎn)生的原因主要是焊接時工件局部加熱膨脹,冷卻收縮時受到工件未加熱部分牽拉作用,以及結(jié)構(gòu)自身剛性約束作用,焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生不均勻的塑性變形,使焊接后的工字梁和材料發(fā)生尺寸、形狀和位置改變。

工字梁焊接變形主要有角變形、波浪變形、扭曲變形三種,如圖1所示。

▲圖1 工字梁焊接變形

以下介紹工字梁焊接變形控制措施。

(1)選擇合理的焊接順序。工字梁合理的焊接順序如圖2所示。針對工字梁焊縫對稱的結(jié)構(gòu)形式,采用對角跳焊方式,可有效減小焊接變形。首先焊接位置①處的焊縫,此時雖然工字梁截面較小,抗扭能力差,但是因為只是焊接一條焊縫,熱量輸入小,扭曲變形不大。然后焊接位置②處的焊縫,可抵消位置①處焊縫產(chǎn)生的扭曲變形。接著焊接位置③處的焊縫,因為已有兩條焊縫存在,所以此時工字梁截面剛度提高,抗扭能力增強,變形量較小。最后焊接位置④處的焊縫,此時產(chǎn)生的應(yīng)力可以抵消位置③處焊縫引起的扭曲變形。

▲圖2 工字梁焊接順序

(2)剛性固定法。設(shè)計制作工字梁焊接專用工裝,焊接時將工字梁傾斜45°放置在焊接專用工裝上,每隔800～1 000 mm距離用卡鉗將工字梁夾在焊接專用工裝上。工字梁焊接剛性固定方法如圖3所示。采用45°角度焊接,工字梁兩側(cè)的翼板熔深一致,熱量輸入均衡,焊接變形相對較小。并且采用這種焊接方式,焊縫成形美觀光滑,可有效減少咬邊等焊接缺陷。

▲圖3 工字梁焊接剛性固定方法

(3)反變形法預防焊接。反變形法是減小焊接變形的有效手段,通過以往焊接經(jīng)驗總結(jié),采用焊接專用工裝對工字梁的上下翼板向焊接變形反方向施加3～5 mm反變形量,來抵消焊接變形,達到焊后上下翼板表面平直的目的。

(4)選擇合理的焊接參數(shù)。根據(jù)工字梁翼板厚度、焊腳大小,在保證焊縫熔深、焊縫寬度的情況下,盡量采用小電流單道焊接方式,降低熱量輸入,能有效減小焊接變形量。結(jié)合采用焊接試驗確定的參數(shù),工字梁的焊接參數(shù)見表1,焊絲牌號為ER50-6,焊絲直徑為1.2 mm。

表1 焊接參數(shù)

(5)選擇合理的焊接方法。焊接工字梁四條縱向長焊縫時,采用對稱施焊的方式,由兩人同時焊接,從中間起弧分別向兩端分段跳焊,焊接速度保持一致,保持工字梁焊接部位受熱均勻。采用此種方法,可以減小工字梁的扭曲變形程度。

5 車架總成焊接變形控制

工字梁車架總成長度方向尺寸大,焊縫分布為左右對稱、上下不均衡,工字梁與各橫梁、各結(jié)構(gòu)件之間均通過焊接方式連接。這一結(jié)構(gòu)的焊接量大,不均勻的焊接應(yīng)力會導致車架總成扭曲、彎曲變形。為控制和減小焊接變形,對車架總成焊接制訂工藝措施。

(1)焊前預防措施。根據(jù)車架總成結(jié)構(gòu)形式、焊縫分布,在下料時預留焊接收縮量,優(yōu)化焊接順序,并采用焊胎夾具對車架進行固定,減小車架總成焊接變形量。

結(jié)合以往焊接經(jīng)驗,并參考理論計算公式,在工字梁下料時預留焊接收縮量,確保焊接完成后車架總成的長度、寬度尺寸符合設(shè)計要求。

工字梁車架總成焊縫形式主要為角焊縫,車架總成長度方向的焊接收縮量ΔL為:

ΔL=0.05wl/A

(1)

式中:w為焊縫的截面積;l為焊縫的長度;A為工件的截面積。

經(jīng)計算,車架長度方向收縮量ΔL為10 mm。

由于車架總成長度方向焊接會收縮10 mm左右,因此為保證焊后車架總成長度尺寸滿足設(shè)計要求,縱梁下料時在長度方向預留焊接收縮量。根據(jù)車架總成不同位置焊接量大小的不同,車架總成組焊前工字梁劃線時對10 mm焊接收縮量進行分配,焊接量大的位置承擔更多的收縮量。另一方面,組焊時在寬度方向預留焊接收縮量2 mm。

車架總成定位組焊時在車架焊胎夾具上完成,車架焊胎夾具寬度調(diào)整時預留2 mm橫向收縮量,測量平面度、對角線滿足設(shè)計指標要求后,用夾具將工字梁剛性固定在焊胎夾具上,車架總成定位組焊完畢后再松開夾具,以保證車架總成組裝寬度、平面度精度滿足要求。

車架總成加固焊接時,由于車架總成上部焊接量較大,上部焊接收縮量大于下部,加固焊接完成后會造成車架總成中部下凹、兩端上翹。對此,在加固焊接時,車架總成中間底部墊矩形管,兩端用龍門架、絲桿工裝下壓,采用反變形方式抵消焊接變形。

車架總成組焊時先焊工字梁與橫梁之間組成整體框架的焊縫,待這些焊縫焊接完成,整個車架總成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以后,焊接其余附屬結(jié)構(gòu)件,這樣的焊接順序可減小后續(xù)結(jié)構(gòu)件焊接對車架總成的影響。

(2)焊后去應(yīng)力。焊接完成后的車架總成存在焊接殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力會對車架總成尺寸精度、強度、疲勞壽命產(chǎn)生一定影響,甚至會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和應(yīng)力裂紋。考慮到自然時效處理周期長、占地面積大等缺點,采用成熟的振動時效消除應(yīng)力法,對車架總成的焊接應(yīng)力進行消除,以保證車架總成尺寸滿足要求,避免產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。

(3)通過熱矯形方法對車架總成焊接變形進行整形。車架總成組焊完成后,對車架總成各尺寸進行測量。針對因焊接變形導致的平面度、直線度超差等情況,通過熱矯形方法同時施加外力對車架總成進行整形,以達到設(shè)計指標要求。

6 結(jié)束語

筆者將工字梁車架焊接變形控制工藝措施編制成工字梁車架焊接工藝文件,指導工字梁車架的焊接生產(chǎn)過程,并跟蹤確保所有措施均得到有效實施。經(jīng)最終檢驗,工字梁車架的精度、焊縫質(zhì)量等均滿足設(shè)計要求,焊接變形控制措施有效,保障了某型號特種汽車車架生產(chǎn)任務(wù)的順利完成。