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減少大型結(jié)構(gòu)件焊接變形的工藝對(duì)策

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    總裝工程兵駐天津地區(qū)軍代表室 許德強(qiáng) 楊宏偉
    大型結(jié)構(gòu)件是工程機(jī)械產(chǎn)品的骨骼，也是廠家設(shè)計(jì)水平的體現(xiàn)和制造水平的反映。由于結(jié)構(gòu)件在承載能力、外觀造型及實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能上的重要作用，在工程機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造中應(yīng)特別予以重視。
    　　大型結(jié)構(gòu)件因?yàn)轶w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(jié)合中外建發(fā)展股份有限公司生產(chǎn)的平地機(jī)、裝載機(jī)典型結(jié)構(gòu)件的工藝實(shí)際，對(duì)大型結(jié)構(gòu)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(duì)策。
    1 大型結(jié)構(gòu)件變形的典型實(shí)例及危害


    后機(jī)架是PY160C型平地機(jī)最大的結(jié)構(gòu)件（見圖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(jié)構(gòu)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(jī)裝配時(shí)需與發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、司機(jī)室、驅(qū)動(dòng)橋等部件相連接，其工藝要求為：基礎(chǔ)面平面度≤3 mm，扭曲度≤5 mm，垂直度≤2.5 mm。按傳統(tǒng)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)過整形工序，但變形量相對(duì)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(diào)整”等落后工藝進(jìn)行調(diào)整。

    １．２ ＺＬ５０Ｃ型裝載機(jī)動(dòng)臂的變形
    　　該件為H形大型結(jié)構(gòu)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(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(xù)焊接。該件是裝載機(jī)作業(yè)時(shí)鏟斗運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵支撐件，其工藝規(guī)程要求尺寸ａ與ｂ相對(duì)中心線的對(duì)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(xiàn)旁彎，通常引起尺寸ｂ偏小8～15 mm，尺寸ａ與ｂ對(duì)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(xiàn)２°～３°的夾角，造成動(dòng)臂變形，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)時(shí)整機(jī)會(huì)出現(xiàn)鏟斗失穩(wěn)現(xiàn)象。
    ２ 結(jié)構(gòu)件變形的理論分析
    　　工程機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)鋼。從結(jié)構(gòu)件制造工藝來看，造成大型結(jié)構(gòu)件變形的原因，主要來自三個(gè)方面：即焊接熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力和外力。
    ２．１ 焊接熱應(yīng)力變形
    　　工件在焊接過程中，對(duì)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(qū)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(jié)構(gòu)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(yīng)力變形
    　　殘余應(yīng)力主要為焊接殘余應(yīng)力和成形加工殘余應(yīng)力，當(dāng)工件某一部位施焊結(jié)束后，其焊縫金屬由膨脹轉(zhuǎn)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(yīng)力。成形加工殘余應(yīng)力主要是因?yàn)楣ぜ芄に囆酝饬Χ穑绻ぜ杂蓮澢尚螘r(shí)不得法；鋼板校平輾壓次數(shù)少；機(jī)加工吃刀量過大等等都能引起成形加工殘余應(yīng)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(jié)合對(duì)引起變形應(yīng)力的理論分析，可知前述PY160C型平地機(jī)的后機(jī)架變形是上百條焊縫的焊接綜合變形。ZL50C型裝載機(jī)動(dòng)臂變形則是典型的大熱場(chǎng)焊縫產(chǎn)生的焊接熱應(yīng)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(qū)的溫度可達(dá)85０℃，隨著加熱部位金屬發(fā)生相變，便產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，它殘存在母材中，不但引起構(gòu)件變形還將影響構(gòu)件的使用性能和質(zhì)量。
    ３ 克服結(jié)構(gòu)件變形的工藝措施
    ３．１ 平地機(jī)后機(jī)架的變形糾正
    傳統(tǒng)方法采用火焰加外力來解決PY160C型平地機(jī)后機(jī)架的扭曲變形。把該件平放在工作平臺(tái)上，將其兩個(gè)角或三個(gè)角墊起，并使其與工作臺(tái)緊固，用火焰加熱應(yīng)力集中區(qū)域，再用機(jī)械方法拉動(dòng)懸空的角，以達(dá)到矯正扭曲的目的。但是當(dāng)我們?cè)诔C正其它次要變形時(shí)，扭曲變形又重新出現(xiàn)。這種反復(fù)矯正的方法，不但耗費(fèi)了大量的人力、物力而且仍會(huì)使工件產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力，留下了產(chǎn)品后期變形的潛在危險(xiǎn)。
    　　通過不斷的實(shí)踐探索，我們對(duì)后機(jī)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(jī)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(jī)架總成。這種方法實(shí)際上是把后機(jī)架一次焊接所承受的全部熱量與變形，分散到前序逐級(jí)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(jī)架變形很小，由于我們根除了最嚴(yán)重的扭曲變形，使該件整形時(shí)非常輕松地達(dá)到了圖紙要求。
    ３．２ 克服裝載機(jī)動(dòng)臂總成的變形
    　　我們從三方面采取措施來克服動(dòng)臂的焊接變形：首先是采取增加約束的辦法來限制動(dòng)臂的變形，即在距支座200 mm處設(shè)置兩個(gè)可調(diào)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；其次是減少焊接線能量，對(duì)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(hào)為施焊次序。采用手工CO2氣保護(hù)電弧焊，這一措施對(duì)減少動(dòng)臂的變形收到較好的效果；第三，采取經(jīng)濟(jì)、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(duì)應(yīng)的動(dòng)臂板外側(cè)，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(shí)用清水自下而上進(jìn)行，當(dāng)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(dāng)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。
    ４ 減少大型結(jié)構(gòu)件變形的工藝對(duì)策
    　　工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件要比一般教科書或技術(shù)資料中所描述的結(jié)構(gòu)件復(fù)雜得多，且對(duì)不同的結(jié)構(gòu)件的性能要求也各不相同。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)我們總結(jié)出幾種克服工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件變形的工藝對(duì)策。

    （１）結(jié)構(gòu)件本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理，即盡量遵守焊縫設(shè)計(jì)三原則：焊縫數(shù)盡量少、焊縫截面盡量小、焊縫位置要對(duì)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(dòng)焊代替氣焊或手工電弧焊。
    　　（３）選擇合理的焊接順序，使工件受熱均勻。
    　　（４）對(duì)形狀復(fù)雜、組成件多的結(jié)構(gòu)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。
    　　（５）消除殘余應(yīng)力，保證結(jié)構(gòu)件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性：
    　　a、對(duì)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(duì)800℃以上的加熱應(yīng)慎重，避免引起材料的相變。
    　　c、嚴(yán)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(jié)構(gòu)件在加工前應(yīng)進(jìn)行回火處理或天然時(shí)效。
    　　（６）對(duì)簡(jiǎn)單零件盡量采用機(jī)械矯正。
    　　（７）對(duì)兩端有約束的部件間的變形，應(yīng)用機(jī)械手段調(diào)整并保持一定的施力時(shí)間。
    　　總之，克服工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件的變形是一個(gè)理論和實(shí)踐性很強(qiáng)的課題，克服變形的措施就是要保證結(jié)構(gòu)件的熱場(chǎng)均衡并盡量避免應(yīng)力的產(chǎn)生，掌握這一指導(dǎo)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(duì)策。

    參考文獻(xiàn)
    １ 由錫唐主編. 焊接結(jié)構(gòu). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1996
    ２ 付榮柏主編. 鋼材的火焰矯正. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1996
    ３ 國(guó)家機(jī)械工業(yè)委員會(huì)統(tǒng)編. 鉚工工藝學(xué). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998

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