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1、2 0 0 6 年 第 1 期 酒 钢 科 技 减少大型结构件焊接变形的工艺对策 碳钢冷轧项目部刘 伟 摘要针对工程机械中大型结构件的焊接变形问题进行了理论上的探讨 并在长期积累 的工艺实践基础上。提出了减少工程机械大型结构件焊接变形的工艺对策。关键词变形 残余应力 热场均衡 大型结构件是工程机械产品的骨骼 也是厂家设计水平的体现和制造水平的反 映。由于结构件在承载能力、外观造型及实 现产品功能上的重要作用在工程机械产 品的设计和制造中应特别予以重视。大型结构件因为体积庞大焊接部位 多 部分尺寸精度和位置精度要求较高 支撑 起来难度较大。尤其是整体变形问题，一直是 困扰工艺人员 的大难题。本文
2、就结合平地机 和装审 嘣腊中。结构件的工艺实际，对大型 结构件的焊接变形情况和原因进行分析 并提出了一些控制变形的工艺对策。一 型结构件变形 的典型 实例及危害 1 1 P Y 1 6 0 C型平地机后机架的变形 后机架是 P Y 1 6 0 C型平地机最大的结 构件(见图一)，该件外形尺寸为 3 3 0 0 m m x 1 l O O m m x 8 O O m m 由7 2个零件组成 属于 框架特征的大型结构件其制造方式为多 个零件上胎合拢、拼点，然后焊接而成。该件在整体装配时须与发动机、变速 箱、司机室、驱动桥等部件相连接 其工艺 3 3 o o _ _ 1，J L 乙 南 J 广 J
3、【；J 0 。亡j；南 _ T 1 8 0 0 图 1 P Y1 6 0 0平地机后机架 维普资讯 http:/ 2 0 0 6 年第 1 期 要求为：基础面平面度3 m m，扭曲度 5 ra m。垂直度2 5 m m。按传统方式焊接 后。一般情况下变形为：平面度 5 8 ra m。扭 曲度 1 0 3 0 ra m。垂直度 5 1 0 m m。横向孔组 的中心距超差 如后桥安装距 7 2 0 ra m 0 5 m m,焊后变为 7 2 0 m m 2 m m 虽在焊后经 过整形工序 但变形量相对装配要求仍然偏 大。造成该件返修率较大。以致后来采用“配 焊”、“垫板调整”等落后工艺进行调整。1
4、 2 Z L 5 O C型装载机动臂的变形 该件为 H型大型结构件(见图2)，外 型尺寸为 2 8 0 0 m m x 1 2 0 0 m in x 8 0 0 m m 制造 方式为支座组件与两动臂板合拢后进行大 截面角缝焊接 图2 Z l-5 0 C装载机动臂 其焊接方式为 3 层 6道焊缝连续焊 接。该件是装载机作业时铲斗运动的关键 支撑件其工艺规程要求尺寸 a 与 b 相对 中心线的对称度为 1 5 m m：A、B、C、D各组 孔的中心线平行度为 1 0 m m。各组孔同 轴度为 0 5 ra m。按上述方式焊接后主要变 形为支座出现旁弯通常引起尺寸 b 偏小 8 1 5 m m尺寸 a
5、 与 b对称度超差 1 5 2 m m，尺寸 a 与 b 各自的中心线不平行 两 中 线出现 2 3 o 的夹角。造成动臂变形 长时间作业时整机会出现铲斗失稳现象。二构件变形的理论分析 工程机械结构件主要是由冷、热轧钢 板、型钢及它们的成形件装焊而成。材质主要 为低合金结构钢。从结构件制造工艺来看。造 成大型结构件变形的原因主要来自三个 方面：即焊接热应力、残余应力和外力。2 1 焊接热应力变形 工件在焊接过程中对金属材料是一 种不均匀的加热和冷却。焊接时。加热的热 源是移动的高温电弧焊缝和热影响区金 属温度很高。金属受热膨胀，但又受到常温 金属的阻碍和抑制便产生了压缩塑性变 形。结构件的焊接
6、变形程度与施焊时热源 的输入能景成正比。2 2 残余应力变形 残余应力主要为焊接残余应力和成型 加工残余应力当工件某一部位施焊结束 后。其焊缝金属由膨胀转为收缩，但其又受 到常温金属的限制这时便产生了焊接残 余应力。成型加工残余应力主要是因为工 件受工艺性外力而引起如工件自由弯曲 成型时不得法；钢板校平碾压次数少；机加 工吃刀量过大等等都能引起成型加工残余 应力。2 3外力引起的变形 主要指组装、焊接过程中由磕、碰、摔、撞或过载引起的异常变形。结合对引起变形应力的理论分析。可知 前述 P Y 1 6 0 C型平地机的后机架变形是上 百条焊缝的焊接综合变形。Z L S O C型装载机 动臂变形则
7、是典型的大热场焊缝产生的焊 接热应力变形。该件的动臂板厚为 5 0 m m，由于在施焊时焊接热影响区的温度可达 8 5 0，随着加热部位金属发生相变。便产生 维普资讯 http:/ 酒钢科技 2 7 了残余应力，它残余在母材中，不但引起构 件变形还将影响构件的使用性能和质量。三克服结构件变形的工艺措施 3 1 平地机后机架的变形纠正 传统方法采用火 焰加外力来解决 P Y 1 6 0 C型平地机后机架的扭曲变形。把 该件平放在工作台上将其两个角或三个 角垫起 并使其与工作台紧固 用火焰加热 应力集中区域在用机械方法拉动悬空的 角。以达到矫正扭曲的目的。但是当我们在 矫正其它次要变形时扭曲变形叉
8、重新出 现。这种反复矫正的方法。不但耗费了大量 的人力、物力而且仍会使工件产生新的残 余应力，留下了产品后期变形的潜在危险。通过不断的实践探索我们对后机架的工 艺进行了重新审定。实施了一套“先部件，后 总成”的治本之路。即将整个后机架分为轴 承座、左梁、右梁三个部分。每个部W F 2分 若干次部件，再下一层是零件。装焊并整形 的次序是：零件_+次部件_+部件 后机架总 成。这种方法实际上是把后机架一次焊接所 承受的全部热量与变形 分散到前序逐级削 弱，并分部件进行矫正变形。以减少总装后 的变形。按此种工艺制作的后机架变形很 小。由于我们根除了最严重的扭曲变形。使 该件整形时非常轻松地达到了图纸
9、要求。3 2 克服装载机动臂总成的变形 我们从三方面采取措施来克服动臂的 焊接变形：首先是采取增加约束的办法来 限制动臂的变形 即在距支座 2 0 0 ra m处设 置两个可调支杆 从两边顶住两动臂板 以 限制动臂板焊接时往里变形：其次是减少 焊接线能量对于截面积为 2 0 0 ra m 2 焊缝 采取4 层 l 2 遍交替焊接的工艺 如图 3 所 示，图中序号为施焊次序 慢 2 层 3 层 4 层 图3 支座与动臂板 4 层 1 2 遍交替焊接 采取手工 C O 气保护电弧焊。这一措 施对减少动臂的变形收到较好的效果：第 三，采取经济、简便的火焰矫正法。其操作 方法是：用气焊焊枪加热。采用碳
10、化焰，在 与支座和动臂板的焊缝相对应的动臂板外 侧。自上而下呈线状逐步加热，加热速度为 3 5 ra m ra in，加热温度为 7 5 0 8 0 0，冷却 时用清水自 下而上进行当尺寸 b 的变形 量大于 l O m m时加热宽度为 1 0 2 0 ra m。加热深度为 1 5 2 0 ra m：当变形 量小 于 l O m r n 时，加热宽度为 1 0 1 5 ra m。加热深度 为 1 0 1 5 ra m。采用以上方法。动臂形位公 差与尺寸均能达到标准要求。四、减少大型结构件变形的 工艺对策 工程机械大型结构件要比一般教科书 或技术资料中所描述的结构件要复杂得 多且对不同的结构件的
11、性能要求也各不 相同。根据实践经验总结出几种克服工程 机械大型结构件变形的工艺对策。(1)结构件本身的结构设计要合理，即 尽量遵守焊缝设计三原则：焊缝数尽可少、焊缝截面尽量小、焊缝位置要对称。(2)选择线能量较低的焊接方法，包括 采用多层焊和利用 C O：自动焊代替气焊或 维普资讯 http:/ 2 0 0 6 年第 1 期 手工电弧焊(3)选择合理的焊接顺序，使工件受热 均匀。(4)对形状复杂、组成件多的结构件采用 多层部件装焊法，多步骤焊接，多次整理。(5)消除残余应力，保证结构件的长期 稳定性：对有压形和较平工序的零件采取 措施，使其施力处的金属组织均匀。严禁用 火焰成型法加工零件或加工
12、装焊成型后的 某一部位。对 8 0 0 C 以上的加热应慎重，避 免引起材料的相变。结构件在加工前应进 行回 火处理或天然时效。(6)对简单零件尽量采取机械矫正。(7)对两端有约束的部件间的变形。应 用机械手段调整并保持一定的施力时间。总之克服工程机械大型结构件的变 形是一个理论和实践性很强的课题克服 变形的措施就是要保证结构件的热场均衡 并尽量避免应力的产生 掌握这一指导思 想，我们就可以在生产实践中不断地制定 出更加完善的工艺对策。作者简介：刘伟，男，汉族，1 9 6 9 年生，1 9 9 4 年毕业于北 京科技大学冶金机械专业。毕业后，一直在酒钢从 事工程技术工作。现在酒钢集g l(责任
13、)有限公司 碳钢冷轧项目 部工作。以干勇为组长的国家 8 6 3 计划“十五”重点课题“钢铁材料连铸热轧过程 组织性能预报及监测系统”于 2 0 0 5年 1 O 月 1 9日在上海宝山钢铁公 司通过了由科 技部组织专家进行的现场验收。该课题由 钢铁研究总院和东北大学、北京科技大学、中科院金属研究所、上海宝山钢铁股份有 限公司和鞍山钢铁集团公司等单位共同承 担。其中，针对宝钢2 0 5 0 热轧生产线开发 组织性能预报系统的工作 由钢铁研究总院 和东北大学、宝钢课题组共同承担。科技部 验收专家组一行 l O 位专家在宝钢 2 0 5 0 生 产线热轧生产现场检查 了课题组开发的具 有我国自主知
14、识产权的热轧生产过程组织 性能预报系统的在线应用情况。专家组对 有关理论 和现场问题进行 了详细提问 经 认真讨论形成验收专家组意见 专家组认为 该课题组针对宝钢 2 0 5 0 生产线开发的组织性能预报 系统软件经 1 5 0 0 炉次现场数据的离线优化 实现了温 度 组织一 性能预报的主要功能，并实现了 在线实时预测：在开发 2 0 5 0 生产线组织性 能预报系统软件过程中采用了往复式轧机 的二维过程模拟程序以及神经元网络技术 与物理冶金原理并用的方法等 具有我国自 主知识产权：开发的宝钢2 0 5 0 生产线组织性 能褥报系统软件预报的钢种范围包括碳钢、碳锰钢、H S L A钢等十个钢
15、类的部分钢种，实 现了对 E 述钢类热轧过程的现场预报：本课 题涉及钢铁工业领域的重大前沿技术。工作 难度大，实施周期长。建议继续给予支持。组织性能预报技术是近年来国际冶金 领域研发的热点和重点之一，是冶金领域 的重大前沿技术。课题组经过 4 年多的艰 辛努力。攻克了个又一个技术难题。目 前 开发的宝钢 3 4 热连轧组织性能预报系统 是世界上同类系统中最完备的在预报钢 种方面是世界上覆盖范围最广的并接入 热轧生产线计算机系统实现了在线实时应 用。在这一重要研究领域，与东北大学和宝 钢一道 钢铁研究总院的研究水平已居国 内领先，跨入了国际先进水平的行列。”十 一五”期间 课题组决心在科技部的领导和 进一步支持下 在该研究领域向世界领先 水平冲击 为我国钢铁工业从钢铁大国向 钢铁强国的历史性转变做出贡献。维普资讯 http:/