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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(wǎng)    
時(shí)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(chǎn)品的骨骼，也是廠(chǎng)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(guān)造型及實(shí)現產(chǎn)品功能上的重要作用，在工程機械產(chǎn)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(lái)難度較大，尤其是整體變形問(wèn)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(fā)展股份有限公司生產(chǎn)的平地機、裝載機典型結構件的工藝實(shí)際，對大型結構件的焊接變形情況和原因進(jìn)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(shí)例及危害


    后機架是PY160C型平地機最大的結構件（見(jiàn)圖1），該件外形尺寸為3 300 mm×1 100 mm×800 mm，由72個(gè)零件組成，屬于框架特征的大型結構件，其制造方式為多個(gè)零件上胎合攏、拼點(diǎn)，然后焊接而成。該件在整機裝配時(shí)需與發(fā)動(dòng)機、變速器、司機室、驅動(dòng)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?yōu)?20 mm+2 mm。雖在焊后經(jīng)過(guò)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(lái)采用“配焊”、“墊板調整”等落后工藝進(jìn)行調整。

    １．２ ＺＬ５０Ｃ型裝載機動(dòng)臂的變形
    　　該件為H形大型結構件（見(jiàn)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(dòng)臂板合攏后進(jìn)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(yè)時(shí)鏟斗運動(dòng)的關(guān)鍵支撐件，其工藝規程要求尺寸ａ與ｂ相對中心線(xiàn)的對稱(chēng)度為1.5 mm；A、B、C、D各組孔的中心線(xiàn)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(chēng)度超差1.5～2 mm，尺寸ａ與ｂ各自的中心線(xiàn)不平行，兩中心線(xiàn)出現２°～３°的夾角，造成動(dòng)臂變形，長(cháng)時(shí)間作業(yè)時(shí)整機會(huì )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(zhì)主要為低合金結構鋼。從結構件制造工藝來(lái)看，造成大型結構件變形的原因，主要來(lái)自三個(gè)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(guò)程中，對金屬材料是一種不均勻的加熱和冷卻。焊接時(shí)，加熱的熱源是移動(dòng)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(chǎn)生了壓縮塑性變形。結構件的焊接變形程度與施焊時(shí)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(shí)便產(chǎn)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(shí)不得法；鋼板校平輾壓次數少；機加工吃刀量過(guò)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(guò)程中由磕、碰、摔、撞或過(guò)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(dòng)臂變形則是典型的大熱場(chǎng)焊縫產(chǎn)生的焊接熱應力變形，該件的動(dòng)臂板厚度為50 mm，由于在施焊時(shí)焊接熱影響區的溫度可達85０℃，隨著(zhù)加熱部位金屬發(fā)生相變，便產(chǎn)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(zhì)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(lái)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(gè)角或三個(gè)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(dòng)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(shí)，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(huì )使工件產(chǎn)生新的殘余應力，留下了產(chǎn)品后期變形的潛在危險。
    　　通過(guò)不斷的實(shí)踐探索，我們對后機架的工藝進(jìn)行了重新審定，實(shí)施了一套“先部件，后總成”的治本之路，即將整個(gè)后機架分為軸承座、左梁、右梁三個(gè)部件，每個(gè)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(shí)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(jìn)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(shí)非常輕松地達到了圖紙要求。
    ３．２ 克服裝載機動(dòng)臂總成的變形
    　　我們從三方面采取措施來(lái)克服動(dòng)臂的焊接變形：首先是采取增加約束的辦法來(lái)限制動(dòng)臂的變形，即在距支座200 mm處設置兩個(gè)可調支桿，從兩邊頂住兩動(dòng)臂板，以限制動(dòng)臂板焊接時(shí)往里變形；其次是減少焊接線(xiàn)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(dòng)臂的變形收到較好的效果；第三，采取經(jīng)濟、簡(jiǎn)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(dòng)臂板的焊縫相對應的動(dòng)臂板外側，自上而下呈線(xiàn)狀逐步加熱，加熱速度為3～5 mm/min，加熱溫度為750～800℃，冷卻時(shí)用清水自下而上進(jìn)行，當尺寸ｂ的變形量大于10 mm時(shí)，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(shí)，加熱寬度為10～15 mm，加熱深度為10～15 mm。采用以上方法，動(dòng)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(shū)或技術(shù)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(shí)踐經(jīng)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(chēng)。
    　?。ǎ玻┻x擇線(xiàn)能量較低的焊接方法，包括采用多層焊和利用CO2自動(dòng)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(diǎn)，多步驟焊接，多次整理。
    　?。ǎ担┫龤堄鄳?，保證結構件的長(cháng)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(jìn)行回火處理或天然時(shí)效。
    　?。ǎ叮?jiǎn)單零件盡量采用機械矯正。
    　?。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(shí)間。
    　　總之，克服工程機械大型結構件的變形是一個(gè)理論和實(shí)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(chǎng)均衡并盡量避免應力的產(chǎn)生，掌握這一指導思想，我們就可以在生產(chǎn)實(shí)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(yè)出版社， 1996
    ２ 付榮柏主編. 鋼材的火焰矯正. 北京：機械工業(yè)出版社， 1996
    ３ 國家機械工業(yè)委員會(huì )統編. 鉚工工藝學(xué). 北京：機械工業(yè)出版社，1998

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