浅析高强钢薄板箱体焊接变形控制

浅析高强钢薄板箱体焊接变形控制

程浩

徐州徐工施维英机械有限公司，徐州 221000

摘要：本文分析箱体结构焊接变形的原因，梳理薄板箱体焊接变形的影响因素，分析了常规焊接变形控制措施在实际生产中的利弊，针对我公司高强钢薄板典型箱体结构，提出了一整套焊接变形控制方法，提升了产品质量和生产效率，对于类似箱体截面具有借鉴意义。

关键词：高强钢 薄板箱体 焊接变形

0 前言

高强钢在工程机械行业拥有广泛应用，随着节能减排等需求不断增强，对结构件的轻量化要求也越来越高。我公司生产的臂架采用高强钢通过焊接形成的薄板箱体结构，焊缝金属的热胀冷缩都受到周围金属的拘束而不能自由伸缩，导致箱体结构在焊后存在焊接应力和变形。焊接变形的存在不仅影响结构的尺寸精度和外观，而且有可能降低其承载能力和机械性能，导致箱体整体结构屈曲失稳，造成严重的失效破坏。因此控制和调整焊接变形是十分重要。

针对高强钢焊接变形的焊后处理一般采用热矫形，但矫形效果不理想，且高强钢薄板对热输入更加敏感，不合理的焊接热输入极易产生裂纹、造成熔合区及热影响区性能软化、脆断等问题，而焊后变形带来的反复加热调形等措施又容易导致废品率加速上升。

1 高强钢箱体焊接变形

焊接作业中产生的热效应会导致薄板箱体内部产生相应的内应力，在薄板箱体的焊接部分便出现相应的温度场。而该温度场会在室内温度和焊接钢体的熔点温度间变化。在不同的温度、时间以及位置上，薄板箱体焊接部分都会产生不同的热收缩、热延伸和变形，继而导致薄板箱体在焊接部分出现塑性变形。

焊接变形产生的机理：结构件焊接变形是焊件局部加热、冷却的过程。在此过程中，焊件上不同区域的热输入是不均匀的，不均匀的热输人是产生焊接应力与变形的决定因素。不均匀的热输人通过材料因素、制造因素和结构因素构成的内拘束度和外拘束度影响热源附近金属的位移，造成焊接应力和变形。^[1]

2 薄板箱体变形的主要形式及影响因素

薄板箱体结构件的主要特点是：箱体结构的长度方向尺寸为5000mm以上，远大于截面的宽度尺寸（300-400mm），通过四块板垂直交叉形成的角焊缝连接而成，采用的板材均为690MPa级别低合金高强钢，板厚为3-4mm，整体结构件用于承载

薄板形体变形主要表现为：整体扭曲、箱体整体旁弯以及箱体侧板出现波浪变形。

对于薄板箱体结构件，其结构形式有其特殊性，薄板箱体焊接变形的主要影响因素有：

1）结构形式：产品根据功能要求设计成不同形式的箱体形式，常见的四块板矩形箱体截面包括双I型、H型、内棱边对齐型以及上H下I的复合型截面。

不同的结构形式受其截面形状及尺寸的影响，结构件整体刚性存在差异，箱体刚性强弱对焊后抵抗焊接变形也产生较大的影响，另外在实施同步性焊接的可行性上存在较大差异。

2）材料属性：材料的影响主要体现在两个方面，其一是板厚，实际生产过程证实加大板厚可以有效的减少焊接变形反馈；其二是材料的热物理性能，不同材料的导热系数、比热和膨胀系数等均不同，产生的热变形不同，焊接变形也不同。

3）焊缝形式：箱体主要连接焊缝的形式及尺寸也会影响焊后结构件的变形量，箱体焊缝的形式主要为角焊缝、开坡口的对接与角接复合焊缝，两种焊缝形式相比，开坡口的焊缝由于填充量较大，焊缝的热输入总量大于角焊缝，因此会导致焊接变形量更大

4）焊接参数：焊接过程选用的电流、电压、焊接速度，焊接变形随焊接电流和电弧电压增大而增大，随焊接速度增快而减小，其中电弧 电压的作用明显。因此低电压、高速大电流密度的自动焊变形较小。

5）焊接顺序：一般原则是先焊变形收缩量较大的焊缝，使其能较自由地收缩，有对接、角接焊缝时，应先焊对接焊缝。薄板箱体四道主焊缝有多种焊接顺序，需要考虑焊接热源对结构内应力分布影响采用对称焊接，避免出现结构件扭曲变形。

6）焊接工艺方法：不同的焊接方法将产生不同的温度场，形成的热变形也不相同。一般来说自动焊比手工焊加热集中，受热区窄，变形较小；CO2气体保护焊焊丝细，电流密度大，加热集中，变形小。热源越集中焊缝热影响区域越小，产生变形的可能性也越小，因此，如激光焊、等离子焊等高能束焊接工艺在焊接变形控制上都有良好的表现。

3 箱体变形控制方法及应用

通常使用的控制焊接变形主要从焊前规划、焊接过程控制以及焊后处理三个方面入手，保证最终得到的结构件尺寸精度、承载性能等满足使用要求

1）焊前规划主要在结构设计上设计合理的焊缝尺寸和形式，减少焊缝数量，选择合理的焊缝位置及分布，增加结构件整体刚性，采用预制反变形等措施

2）焊接过程控制主要体现在减小热输入，优化焊接顺序等措施，近几年新兴的通过有限元分析方法可以有效的预测焊接变形，就是通过调整热源模型配合有限元计算实现应变分析的，目前的应用仍受限于焊接过程影响因子较广、仿真效率低下等因素尚未进行大面积普及，对于高强钢，其高温热物理属性的获得相对更困难，因此预测准确率尚需要更多的试验验证的检验。

3）焊后处理的主要思路是通过消除或引入额外的内应力来保证结构件整体的尺寸精度和功能性要求，常规的焊后处理包括：焊后热矫正、机械矫正。对于已经发生了焊接变形的焊接结构件，这是节约成本“不得不”为之的方法，这种事后弥补的方式只是带来表面的合格，新引入的内应力会影响结构件的整体性能，相当于给未来结构件失效破坏埋下安全的隐患。而对于薄板箱体，热矫正或机械矫正等方法往往很难达到预期效果，而一旦引入额外的热输入控制不够，导致组织成分及晶粒大小发生变化，可能会对整体的承载能力造成不良的影响。

4 高强钢箱体焊接变形控制具体应用实践

我公司针对产品结构形式为复合截面形式，这种截面便于实施四道主焊缝同步焊接，通过控制焊接过程温度场均匀性，配合工装夹具使用，保证焊接过程高效高质量，焊后波浪变形控制在0.5mm以内，整体结构件焊接工序效率相比常规焊接工艺提升3倍以上。从制造过程的温度场均匀性控制的角度，采取以下措施：

1）焊前即时同步预热

在焊接前端为避免焊接急速升温，对侧板的火焰加热，过程中可以通过旋钮进行火焰形态调节，预热温度设定为120℃。预热割炬的行走速度跟随龙门架同步向后移动，实际的预热温度估计在100℃。

2）控制焊接参数

焊接采用伊萨焊机，选用φ1.0焊丝，焊接参数为：电流213A，电压26.5V，焊接速度600mm/min，热输入0.56kJ/mm，相比常规常速焊接参数为电流218A/电压26V/焊接速度400mm/min，热输入为0.70kJ/mm，这种高速焊接工艺可以有效的控制焊接变形，且整体结构件焊接效率提高0.5倍。

3）多道焊缝同步焊接

采用四把焊枪进行同步焊接，在焊接前进行位置找正，通过旋钮来调整焊枪角度和位置，焊接过程中需要左右两个操作工在两侧分别跟踪施焊，如有偏焊需要及时调整焊枪位置。焊接时采用多把焊枪，对四道主焊缝进行同时施焊，有利于母材受热均匀，避免受热不均导致的焊接变形。

4）内外端刚性紧固

内部通过可移动的内芯进行刚性定位，外部通过压轮对左右侧板及上盖板进行压紧，保证焊接过程尺寸精度。不同规格的产品需要选用不同尺寸截面的工装，适用于单批次多台套产品焊接。

5）定位焊步骤的省略

采用同步拼焊的方式进行组装，即边拼边焊。相当于是省略了传统的定位焊组对过程，因而焊接之前臂架箱体内不会存在拘束应力，焊接过程中使用外部液压滚轮压紧位置更均匀，这种方式与焊前定位焊相比，不会在焊接热胀冷缩过程中在定位焊点位置产生较明显的应力拘束，产生波浪变形的可能性就会明显下降。

5 结论

高强钢薄板箱体焊接变形控制应按照预防为主，焊后处理为辅的原则，从焊接工序，遵循焊接变形热胀冷缩的本质，控制薄板箱体焊接变形，在制造过程中尽可能减少温度场的不均匀性，通过采用焊前均匀加热预热，焊接过程多方向紧固约束，拼焊一体化、多道焊缝同步焊接等手段及措施，可以大幅度减少薄板箱体焊接变形，一次合格率可以提高至99%以上，便于车间更高效高质量的组织生产。

参考文献：

[1] 方洪渊 焊接结构学[M]. 北京：机械工业出版社，2017.

[2] 周广涛，刘雪松，闫德俊等. 顶板焊接顺序优化减小焊接变形的预测[J].焊接学报， 2009，30(9): 109-112.

[3] 孙岱 低碳钢/低合金高强钢薄板焊接变形的数值模拟[D]. 重庆：重庆大学，2011.