支架底板焊接变形的分析与控制

摘 要：文章从支架的结构入手，对其工作应力分布及焊接过程中容易出现的变形问题进行了详细的分析，并制定了合理可行的控制方案，成功地攻克了这一困扰某公司焊接生产多年的技术难题。

关键词：弯曲变形；工作应力；焊趾；焊接线能量；焊接顺序

1 前言

支架是某公司一民用产品整体结构中非常重要的零件，起关键的支撑作用，因此要求支架必需具有良好的刚度与强度。在前期的支架焊接生产过程中，容易在底板处产生弯曲变形，最大变形处达到了5mm，造成加工后底板的有效厚度变小，影响了整个支架的刚度与强度，进而影响到产品的使用性能。

2 结构简介

支架属于典型的框式架体结构，主要由左、右侧板及顶板、底板组成（见图1），其主要焊接量集中于左、右侧板与底板的焊接上，而在产品使用时底板处为主要受力部位。

3 工作应力分布

从图2中可以看出，支架底板处的焊缝包括内侧焊缝和外侧焊缝两部分，其中内侧焊缝为对接坡口焊缝和角焊缝，外侧焊缝为对接坡口焊缝。

3.1 内侧角焊缝的工作应力分布

由底板与侧板形成的角焊缝，在焊接时，由于焊缝收缩，造成应力分布很不均匀，在角焊缝的根部和焊趾处都有很大程度的应力集中。研究表明，焊趾处的应力集中系数随角焊缝的形状尺寸改变而变化。具体来说，焊趾处的应力集中系数随焊趾角度θ的减小而减小，随焊脚尺寸L的增大而减小。

3.2 内侧焊缝与外侧焊缝对接接头的工作应力分布

对接接头的受力状态较好，应力集中程度较小。对接接头的应力集中主要是由于焊缝金属的余高引起的，余高愈大，应力集中程度愈严重。

4 产生变形的原因

引起底板产生弯曲变形的因素很多，主要有以下三个方面：

4.1 结构设计不合理

底板与侧板之间的连接设计不太完善。第一，外部对接焊缝的余高过大，造成焊缝处应力集中；第二是底板与侧板之间的存在间隙；第三，内侧角焊缝的形状尺寸分配不合理，主要是焊趾角度θ过大以及焊脚尺寸L过小。

4.2 没有有效的工艺控制手段

焊接方法、焊接顺序、焊接方向、焊接线能量、焊接残余应力等因素的控制对于防止焊接变形是非常重要的。在以往的生产中，采用焊条电弧焊的焊接方法，焊接顺序和焊接方向没有严格规定，焊接线能量较大，焊接残余应力没有得到有效消除，这样造成焊缝收缩较大，焊缝处应力分布不均匀，引起底板产生弯曲变形。

4.3 刚性固定强度不足

支架侧板之间的辅助装置强度不足。在支架焊接前，为防止支架底板产生弯曲变形，在支架两侧板之间设置了辅助工艺拉筋，焊接后对支架整体进行热时效处理时，因温度较高，容易使拉筋先发生收缩变形，刚性固定失效，造成两侧板向内收缩，使底板产生弯曲变形。

5 控制变形的措施

针对底板产生弯曲变形的原因，为控制变形，采取措施如下：

5.1 改善结构

第一，改变原有的产品结构，使底板与侧板之间的外侧焊缝余高减小，稍有余高即可；第二，严格控制侧板和底板的尺寸精度，减小底板连接处的间隙；第三，改变底板与侧板之间的内侧角焊缝的焊趾角度θ与焊趾长度L，减小焊趾角度θ为20～30°，尽量增大焊趾长度L，避免因结构问题造成应力集中，使焊缝处应力变小，从而减小底板变形。

5.2 优化工艺

对于支架的焊接而言，为防止底板产生变形，在焊接方法上采用能量比较集中的气体保护焊替代焊条电弧焊；采取按图3所示的焊接顺序1、2、…、14、15进行焊接，要求双人同时沿同一方向对称施焊；在焊接线能量控制方面，在保证焊接质量的前提下，尽量采用较小的电流、电压和较快的焊接速度进行焊接，并且严格控制工件局部不得过热；通过采取振动时效处理和热时效处理两种方法减小工件内部残余应力。通过采取以上措施，可以有效减小底板焊缝处的焊接应力，降低焊接热输入，从而减小底板变形。

5.3 增加辅助装置，保证刚性固定的强度

首先通过两侧板的孔在支架上增加焊接辅助紧固装置（见图4），通过中间支撑套筒将两侧板顶住，在外侧紧固，防止焊接时两侧板向内收缩；另外通过设置拉筋时考虑到强度的要求，选用Φ50mm的圆钢代替Φ40mm的圆钢作为拉筋，在左、右侧板之间设置拉筋，并且在底板处加设拉筋，这样就提高了拉筋的强度，可以避免因拉筋受热收缩而引起的底板变形。

6 结束语

通过所制定的方案在生产中的应用之后，经过多门支架的焊接，支架底板的变形已控制在0.5mm之内，超出了预期的目标，保证了支架的整体使用性能，攻克了多年来困扰支架焊接生产的难题，避免了因反复校正对生产周期和加工精度的影响，保证了某公司民品任务的顺利完成。

参考文献

[1]孟晓辉.液压支架顶梁焊接变形控制研究[Z].2012.

作者简介：

李辉，齐齐哈尔市特种设备检验研究所，高级工程师。

刘海欧，齐齐哈尔北方机器有限责任公司，高级工程师。

关鹏，齐齐哈尔北方机器有限责任公司，正高级工程师。