大型箱体结构件的焊接变形控制研究

张冰冰，陶 李

（合肥合锻智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601）

本文所述大型箱体结构件指自身体积庞大、质量重大、由碳素结构钢焊接而成的具有箱体结构的零部件。随着机械工业的发展，大型箱体结构件在工业生产中被广泛应用，特别是在锻压行业，绝大多数压机的上下梁都采用此种结构。

由于二氧化碳气体保护焊（二保焊）具有焊接变形小，对水、铁锈的敏感性不大，焊接过程操作方便，焊接速度快，生产效率高，有利于实现焊接过程中的机械化和自动化等特点，所以此类结构件多采用二保焊进行焊接。

焊接变形是焊接过程中因焊接工件受到不均匀的温度场的作用而产生的形状、尺寸变化。焊接变形不但可能引发工艺缺陷，而且在一定条件下将影响结构的加工精度、尺寸稳定性和承载能力。因此，控制焊接变形是工程中的一个重要问题。

在实际生产过程中，结构件的焊接变形主要有收缩变形、弯曲变形和扭曲变形。具体焊接件会出现哪种变形，与焊接件的结构、焊缝布置、焊接工艺及应力分布等因素有关。

2.1 收缩变形

收缩变形是焊接变形的基本形式。焊缝的冷却过程是焊缝由液态转化为固态的过程，转化过程中将产生焊接应力和焊缝体积缩小的现象，从而导致焊后焊接件外形尺寸减小。收缩变形主要发生在简单结构的焊接件中。由于焊缝少、焊缝方向基本一致，使得各条焊缝收缩方向一致，焊后仅出现收缩变形，使得焊件外形尺寸减小。

2.2 弯曲变形

弯曲变形是由多条焊缝的内应力和收缩变形结合的最终结果。主要是由于结构上焊缝布置不对称或焊接件断面形状不对称，多条焊缝收缩不一致引起的变形。弯曲变形的大小用挠度f 进行标示，挠度f是指焊后焊件的中心轴偏离焊件原中心轴的最大距离。如图1 所示，工件下方有焊缝，上方没有，由于收缩不一致导致工件出现上拱弯曲变形。

图1 焊接应力导致的上拱变形

2.3 扭曲变形

扭曲变形是大型结构件焊接中最典型的焊接变形，由于此类结构件多为箱体框架结构，焊缝布置不对称，板件尺寸厚度不均匀，焊缝布置无规律，致使焊缝内应力的方向不一致，大小不均匀，焊接变形的位置和方向难以预测，最终出现扭曲变形。

3.1 焊缝分布的影响

一般来讲，焊缝在设计时应将焊缝的位置设计成均布焊缝，如果焊缝位置分布不均匀，焊缝密集区的焊接应力大于稀疏区的应力，就会使两区域的焊接变形量不一样，焊接应力不能相互平衡。因此，设计焊缝时，应使焊缝尽量对称于构件截面的中心轴或使焊缝接近中心轴，可减小弯曲变形。

3.2 组焊件刚度的影响

一般来说，刚性大的结构件，焊接变形小；
结构刚性小的构件，焊接变形大。结构刚度取决于结构件截面的形状和尺寸，因此在箱式结构件铆装焊接时要考虑整体的刚度。

3.3 焊接坡口形式的影响

焊缝越长焊接变形就越大；
坡口尺寸越大,变形就越大；
装配间隙越大,焊接变形也越大。焊接时,应在满足技术要求的前提下,选择坡口尺寸较小的焊缝。对于装配间隙大的结构件可采用中间加筋板的形式来减小焊接变形。

3.4 焊接顺序的影响

不同的焊接顺序焊后将产生不同的变形量，在施焊时总体上应遵循的原则是焊缝对称时，应采用对称焊接，焊缝不对称时，应先焊焊缝少的一侧。在焊接时还应采取下列焊接技巧方法：（a）分段退焊法；
（b）分中段退焊法；
（c）分段跳焊接法；
（d）交替焊法；
（e）分中对称焊接。如图2 所示。

图2 不同焊接顺序的对接焊缝示意图

3.5 焊接工艺参数的影响

焊接中，同样的焊件，同样的焊工，焊接工艺参数不同所产生的焊接变形也不同。单层焊、大电流、焊条移动速度慢、摆动幅度大、停留时间长,所产生的变形要大一些；
而多层和多道焊，小电流、快速、焊条不摆动，则焊后变形小，因此在焊接时要根据焊件的结构情况采用合适的焊接参数。

如图3 所示箱体式结构件是某行业常见结构形式，通常由底板、顶板、中间腹板、加强筋板、四周围板以及周围的一些搭子组成。根据以上焊接变形的影响因素，分别从设计角度和工艺角度制定了下列控制焊接变形的措施。

图3 某行业中很常见的组焊件结构形式

（1）设计角度控制措施：尽量把结构设计成对称结构，焊接位置对称分布。

（2）工艺角度控制从以下几个方面进行：①能开双面坡口的尽量开成双面坡口，减小焊接量，这样既可以减小焊接变形，又能提高焊接质量；
②铆装时尽量使结构件的刚度增大后再进行焊接，因此安排了下面的装配顺序：第一步先以底板为底，在底板上依次装件11、件9、件6、件8、件20、件10、件19后，盖上顶板（件5），点焊固定。组成一个刚性比较大的整体后，然后再焊接，这样焊接时由于结构对称，焊接内应力可以相互牵制，焊接变形就会比较小；
③焊接操作时，由不同的焊工在对称位置施焊，采用分段退焊和分段跳焊的方式施焊，焊缝不要一次性焊满，通过多次翻转焊接来减小焊接变形；
④通过多次翻转，使焊接位置处在水平位置焊接（平焊）。打底时选用小电流，用ø1.2 的焊丝打底，用ø1.6 的焊丝进行填充、盖面。

采用以上一系列防变形措施后，焊接后的结构件变形控制良好。

焊接变形本身是很复杂的课题。由于大型结构件的尺寸和自身质量大、焊缝分布复杂，控制大型结构件的焊接变形就更加困难，而且大型结构件的生产成本较高，只有降低产品的报废率，才能提高产品生产的经济性。因此控制大型结构件的焊接变形就显得更为重要。