薄壁敞开式箱型结构焊接变形的控制
北方机器有限责任公司 黄秀娟 张喜群 王刚
摘要 本文针对薄壁敞开式箱型结构，焊接变形难以控制，不能满足图纸要求，已经影响到产品的总装性能的状况，通过对其容易产生焊接变形的各种状况进行细致分析，利用焊接变形理论，找出影响焊接变形的各种因素，并根据科研生产经验及预先估测可能产生的焊接残余变形，
制定出合理的焊接工艺措施，从而有效地控制焊接变形，确保了后续的装配质量，满足了产品整体性能要求。
关键词：
薄壁敞开式 箱型结构
焊接变形
有效控制
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前 言
该薄壁敞开式箱型结构是某产品上的重要部件，它前联摇架，后接输送机，传感器、限位器、控制器等机、电技术集于一身，在生产中，工件一旦出现变形超差，矫正的工作量比焊接工作量还要大，而且校正后也难以保证产品图要求。在科研产品生产中，由于局部变形的影响，时有通过现场修锉干涉部位或补焊机加余量不足部位，才能实现与其它相关部件装配联接的情况，这不但严重影响生产进度，同时也难以保证产品质量。这种生产模式只可勉强用于应付单件小批量生产，却不能适应定型产品的批量生产需要。为保质保量按时完成批量生产任务，在定型产品的技术准备中，根据产品的结构特点及科研阶段出现的问题，结合焊接变形理论，采取必要的控制焊接变形措施，确保了定型产品焊接质量的稳定性，为顺利实现后续加工奠定了基础。
下面通过对结构进行分析，结合焊接变形理论，就定型产品本体焊接工艺、工装设计及改进等做如下阐述。
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本体结构特点
该结构本体简图如图一所示。其外轮廓尺寸是长2000、高1500、宽680的箱型开放式结构。整体结构特点主要表现为：
(1) 外轮廓尺寸较大、板料薄、箱体上侧、前侧为开口式，左、右板窗口面积超过本体面积，箱体内无支筋，结构刚性极差。
(2) 焊缝在结构上布置不对称，上部焊缝少，下部焊缝多，前部焊缝少，后部焊缝多。
(3) 结构横截面尺寸小，前侧、上侧不封闭，左、右板窗口大，也近乎不封闭。
(4) 长直焊缝多，薄薄板壁的内、外侧还焊有许多零、部件，焊接量很大。
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箱体焊接变形分析及加工难点
第一，
能否保证箱体左、右板之间680
0.5尺寸是其生产制造的关键，而这项技术关键要靠焊接来保
证，由于其本体为中间无支筋的箱式敞开式结构,又无对位基准，组对难度大，焊后箱体左、右板极容易发生偏移，产生较大的扭曲变形及收缩变形，影响产品整体性能。在以往的生产中，由于组成箱体的材料为经调质的低合金结构钢20CrMnSiA，加之结构的特殊性，使该工件的弹性变形反应明显，导致焊后进行了大量复杂的矫正工作，其矫正工作量甚至超过了焊接工作量。另外，由于扭曲变形的影响，箱体左、右板之间680尺寸常伴有局部超差，加之待加工处留余量小，导致后续的机械加工余量不足，需补焊后加工，才能满足图纸要求，这是定型产品生产所不能允许的。
第二，如无工艺措施，就无法保证箱体的底部V型槽结构及左、右板间准确装配，焊前已经对位不准确，焊后是不可能满足图纸要求的。
第三，这种较大轮廓的箱型开放式结构，横截面积小且不封闭，中间无支筋，板料薄，刚性很弱，属于非常棘手的焊接结构。
第四，焊接变形绝大多数的原因是焊缝在结构上布置不对称导致，此箱型结构上部焊缝少，下部焊缝多，前面焊缝少，后部焊缝多，由于上部、前部焊缝距焊件断面的中性轴较远，则焊后焊件易产生弯曲变形。
第五：该结构除简图所介绍的主体结构以外，各薄壁内、外侧还装焊着挡槽、上壁、垫板等几十个大小不等的零、部件， 焊道集中，焊接量大，焊接热循环峰值高，焊接变形很难控制。
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采取的防变形工艺措施
焊接变形不仅会影响结构尺寸的准确和外形美观，而且还会加大机加、装配的累积误差，增加后续装配难度，严重者可能无法实现与相关部件装配而报废。焊接变形的机理是一个比较复杂的问题，目前在理论上尚未能达到精确计算的阶段，但是，焊接变形有其内在的规律性，理论上的定性分析有相当的可靠性，也就是说焊接变形是可以控制的。因此，针对该箱型开放式结构的焊接变形问题，结合焊接变形理论，采取必要控制措施，是可以将焊接变形减至最小，使之达到图纸要求。通过以上对焊接本体结构分析，根据加工难点，我们找出影响焊接结构残余变形的因素，采取有效的工艺方法和控制变形的措施，具体内容如下：
1、 为保证箱型底部的V型槽结构对位准确，设计了一组V形对位支承板，其上部直边处用于辅助左、右
板对位，采取这种对位方式，既保证了V型槽对位准确，又利于左、右板对位，与以往划线对位相比，提高了产品质量，并显著地提高生产效率。
2、
为保证箱体左、右板间680尺寸公差精度要求，在定型产品工艺准备时，我们要求设计在左、右板上
预留三组直径为50的工艺孔，借助这组工艺孔，设计三组对位支承，其定位尺寸与V形对位支承板上部定位尺寸相同，在箱体左、右板对位时，根据预先估测的焊接后收缩变形的大小，我们将对位尺寸中680尺寸人为加大，使焊后收缩变形与加大尺寸相互抵消，满足了图纸要求。另外，由于对位支承是由对位支柱与起重螺栓组成，可以提高刚性，又有利于吊装，从而减少了转序、吊运过程中的变形。
3、 为保证左、右板间平行度要求及便于测量，设计了专用量具，可以随时测量左、右板间不同部位尺寸，
根据测量结果随时进行校正。
4、 在定型产品工艺中，我们力求不使用焊接工艺拉筋来增加刚度，在科研产品生产中，采用工艺拉筋这
种强制方式，当焊后拆除拉筋恢复原状后，很可能又会出现意想不到新的变形，难于校正。新工艺我们使用可调支承来代替焊接工艺拉筋，并将可调支承的端部设计成球形，无论焊接前，还是机加前，只要检验各尺寸已满足图纸要求，便可使用可调支承限位，与箱体形状随形就形，待焊后或机加后，卸掉夹具，不会产生向使用工艺拉筋那种强制约束，卸载后而产生较大的弹性变形。
5、 为提高箱体刚性，设计了一组夹紧装置，使中间无支筋结构变为了有支筋结构，不封闭截面变为局部
封闭截面，从而人为地增加了防护仓本体刚度。如图二所示
先将左板、右板、左下板、右下板、底板、后板组装到位，校正后焊接成形，然后再根据其它各零、部件位置按顺序组对、焊接。该箱型本体的焊接量较大，且焊缝布置不对称，我们通过调整焊接顺序，有效控制其弯曲变形。其中纵向长直焊缝采取对称、退焊法，这样，就可将连续焊缝变成了断续焊缝。与本体装配的零、部件，根据其所处位置确定其焊接顺序，在焊接操作中，要求适当减慢焊接速度，间歇施焊，以防过热。通过采取这些方法，减少了焊缝集中过热，从而避免由于应力集中而引起的过大变形。
组成箱体的材料为经调质的低合金结构钢20CrMnSiA，如焊接方法不当，易产生淬硬组织，从而形成裂纹。与手工电弧焊相比，CO2气体保护焊不但效率高，成本低，而且电流密度高，电弧在保护气流的压缩下热量集中，焊接熔池和热影响区较小，形成裂纹倾向也随之变小，并能明显地减小焊接变形，而且改善了劳动条件。因此，预焊及焊接尽量采用能量集中的MAG焊，所选焊丝牌号：ER50～6 ； 焊丝直径：1.2 ；焊接电流：180～200安培 ； 混合保护气：80%Ar +20%CO2 。
装配、预焊后，将各夹具全部拆下，按产品图全面划线检查，根据划线情况，铆工校正，待满足产品图要求后，将焊接夹具装配上，再进行焊接。
采用新工艺方法用振动时效代替原工艺的回火消除应力，减少了由进炉加热而导致的工件变形，拆下的支承可以重复使用，降低了产品成本。工件振动时效后，将各支承及拉筋全部拆下，经过24小时应力释放，再重新进行划线检查，根据检验的各尺寸，由铆工校正，达到图纸要求，然后再将可调支承装配上，进入机加工序。由于新设计的可调支承端面为球形，避免了科研生产时的强制约束，待恢复原状，不会产生过大变形。
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结论：
实践证明，通过采取有效的工艺方法和控制焊接变形的措施 ，确保了焊接质量，为顺利实现后续加工及满足装配质量提供了必要的条件。同时简化了校正工序，降低了工人的劳动强度，提高了生产效率，在控制焊接变形方面积累了宝贵经验，提高了我公司市场竞争能力，为进一步提高产品质量打下了一个良好的基础。
参
考 文
献
[ 1 ]、焊接手册 机械工业出版社 中国机械工程学会焊接学会编 1982年版
[ 2 ]、焊接结构 机械工业出版社 田锡唐主编 1992年版
作者简介： 黄秀娟 1963年生，大学本科学历，高工，焊接工艺员，主要从事焊接技术工作，曾在《焊接》杂志及《北方科技》上发表过论文。
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