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減少大型結構件焊接變形的工藝對策

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    總裝工程兵駐天津地區軍代表室 許德強 楊宏偉
    大型結構件是工程機械產品的骨骼，也是廠家設計水平的體現和制造水平的反映。由于結構件在承載能力、外觀造型及實現產品功能上的重要作用，在工程機械產品的設計和制造中應特別予以重視。
    　　大型結構件因為體形龐大，焊接部位多，部分尺寸精度和位置精度要求較高，支承起來難度較大，尤其是整體變形問題，一直是困擾工藝人員的一大難題。本文主要結合中外建發展股份有限公司生產的平地機、裝載機典型結構件的工藝實際，對大型結構件的焊接變形情況和原因進行了分析，并提出了一些控制變形的工藝對策。
    1 大型結構件變形的典型實例及危害


    后機架是PY160C型平地機最大的結構件（見圖1），該件外形尺寸為3 300 mm×1 100 mm×800 mm，由72個零件組成，屬于框架特征的大型結構件，其制造方式為多個零件上胎合攏、拼點，然后焊接而成。該件在整機裝配時需與發動機、變速器、司機室、驅動橋等部件相連接，其工藝要求為：基礎面平面度≤3 mm，扭曲度≤5 mm，垂直度≤2.5 mm。按傳統方式焊接后，一般情況下變形為：扭曲度10～30 mm，平面度5～8 mm，垂直度5～10 mm，橫向孔組的中心距超差，如后橋安裝距720 mm±0.5 mm，焊后變為720 mm+2 mm。雖在焊后經過整形工序，但變形量相對裝配要求仍然偏大，造成該件返修率較大，以致后來采用“配焊”、“墊板調整”等落后工藝進行調整。

    １．２ ＺＬ５０Ｃ型裝載機動臂的變形
    　　該件為H形大型結構件（見圖2），外形尺寸為2 800 mm×1 200 mm×800 mm，制造方式為支座組件與兩動臂板合攏后進行大截面角縫焊接。其焊接方式為３層６道焊縫連續焊接。該件是裝載機作業時鏟斗運動的關鍵支撐件，其工藝規程要求尺寸ａ與ｂ相對中心線的對稱度為1.5 mm；A、B、C、D各組孔的中心線平行度為Φ1.0 mm；各組孔同軸度為Φ0.5 mm。按上述方式焊接后主要變形為支座出現旁彎，通常引起尺寸ｂ偏小8～15 mm，尺寸ａ與ｂ對稱度超差1.5～2 mm，尺寸ａ與ｂ各自的中心線不平行，兩中心線出現２°～３°的夾角，造成動臂變形，長時間作業時整機會出現鏟斗失穩現象。
    ２ 結構件變形的理論分析
    　　工程機械結構件主要是由冷、熱軋鋼板、型鋼及它們的成形件裝焊而成，材質主要為低合金結構鋼。從結構件制造工藝來看，造成大型結構件變形的原因，主要來自三個方面：即焊接熱應力、殘余應力和外力。
    ２．１ 焊接熱應力變形
    　　工件在焊接過程中，對金屬材料是一種不均勻的加熱和冷卻。焊接時，加熱的熱源是移動的高溫電弧，焊縫和熱影響區金屬溫度很高，金屬受熱膨脹，但又受到常溫金屬的阻礙和抑制，便產生了壓縮塑性變形。結構件的焊接變形程度與施焊時熱源的輸入能量成正比。
    ２．２ 殘余應力變形
    　　殘余應力主要為焊接殘余應力和成形加工殘余應力，當工件某一部位施焊結束后，其焊縫金屬由膨脹轉為收縮，但其又受到常溫金屬的限制，這時便產生了焊接殘余應力。成形加工殘余應力主要是因為工件受工藝性外力而引起，如工件自由彎曲成形時不得法；鋼板校平輾壓次數少；機加工吃刀量過大等等都能引起成形加工殘余應力。
    ２．３ 外力引起的變形
    　　主要指組裝、焊接過程中由磕、碰、摔、撞或過載引起的異常變形。
    　　結合對引起變形應力的理論分析，可知前述PY160C型平地機的后機架變形是上百條焊縫的焊接綜合變形。ZL50C型裝載機動臂變形則是典型的大熱場焊縫產生的焊接熱應力變形，該件的動臂板厚度為50 mm，由于在施焊時焊接熱影響區的溫度可達85０℃，隨著加熱部位金屬發生相變，便產生了殘余應力，它殘存在母材中，不但引起構件變形還將影響構件的使用性能和質量。
    ３ 克服結構件變形的工藝措施
    ３．１ 平地機后機架的變形糾正
    傳統方法采用火焰加外力來解決PY160C型平地機后機架的扭曲變形。把該件平放在工作平臺上，將其兩個角或三個角墊起，并使其與工作臺緊固，用火焰加熱應力集中區域，再用機械方法拉動懸空的角，以達到矯正扭曲的目的。但是當我們在矯正其它次要變形時，扭曲變形又重新出現。這種反復矯正的方法，不但耗費了大量的人力、物力而且仍會使工件產生新的殘余應力，留下了產品后期變形的潛在危險。
    　　通過不斷的實踐探索，我們對后機架的工藝進行了重新審定，實施了一套“先部件，后總成”的治本之路，即將整個后機架分為軸承座、左梁、右梁三個部件，每個部件下又分若干次部件，再下一層是零件，裝焊并整形的次序是：零件→次部件→部件→后機架總成。這種方法實際上是把后機架一次焊接所承受的全部熱量與變形，分散到前序逐級削弱，并分部件進行矯正變形，以減少總裝后的變形。按此種工藝制作的后機架變形很小，由于我們根除了最嚴重的扭曲變形，使該件整形時非常輕松地達到了圖紙要求。
    ３．２ 克服裝載機動臂總成的變形
    　　我們從三方面采取措施來克服動臂的焊接變形：首先是采取增加約束的辦法來限制動臂的變形，即在距支座200 mm處設置兩個可調支桿，從兩邊頂住兩動臂板，以限制動臂板焊接時往里變形；其次是減少焊接線能量，對于截面積為200 mm2的焊縫采取4層12遍交替焊接的工藝，如圖3所示，圖中序號為施焊次序。采用手工CO2氣保護電弧焊，這一措施對減少動臂的變形收到較好的效果；第三，采取經濟、簡便的火焰矯正法。
    　　其操作方法是：用氣焊焊槍加熱，采用碳化焰，在與支座和動臂板的焊縫相對應的動臂板外側，自上而下呈線狀逐步加熱，加熱速度為3～5 mm/min，加熱溫度為750～800℃，冷卻時用清水自下而上進行，當尺寸ｂ的變形量大于10 mm時，加熱寬度為10～20 mm，加熱深度為15～20 mm；當變形量小于10 mm時，加熱寬度為10～15 mm，加熱深度為10～15 mm。采用以上方法，動臂形位公差與尺寸均能達到標準要求。
    ４ 減少大型結構件變形的工藝對策
    　　工程機械大型結構件要比一般教科書或技術資料中所描述的結構件復雜得多，且對不同的結構件的性能要求也各不相同。根據實踐經驗我們總結出幾種克服工程機械大型結構件變形的工藝對策。

    （１）結構件本身的結構設計要合理，即盡量遵守焊縫設計三原則：焊縫數盡量少、焊縫截面盡量小、焊縫位置要對稱。
    　　（２）選擇線能量較低的焊接方法，包括采用多層焊和利用CO2自動焊代替氣焊或手工電弧焊。
    　?。ǎ常┻x擇合理的焊接順序，使工件受熱均勻。
    　?。ǎ矗π螤顝碗s、組成件多的結構件采用多層部件裝焊法，多步驟裝點，多步驟焊接，多次整理。
    　　（５）消除殘余應力，保證結構件的長期穩定性：
    　　a、對有壓形和校平工序的零件采取措施，使其施力處的金屬組織均勻。
    　　b、對800℃以上的加熱應慎重，避免引起材料的相變。
    　　c、嚴禁用火焰成形法加工零件或加工裝焊成形后的某一部位。
    　　d、結構件在加工前應進行回火處理或天然時效。
    　?。ǎ叮唵瘟慵M量采用機械矯正。
    　?。ǎ罚啥擞屑s束的部件間的變形，應用機械手段調整并保持一定的施力時間。
    　　總之，克服工程機械大型結構件的變形是一個理論和實踐性很強的課題，克服變形的措施就是要保證結構件的熱場均衡并盡量避免應力的產生，掌握這一指導思想，我們就可以在生產實踐中不斷地制定出更加完善的工藝對策。

    參考文獻
    １ 由錫唐主編. 焊接結構. 北京：機械工業出版社， 1996
    ２ 付榮柏主編. 鋼材的火焰矯正. 北京：機械工業出版社， 1996
    ３ 國家機械工業委員會統編. 鉚工工藝學. 北京：機械工業出版社，1998

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