薄壁不锈钢箱体焊接变形的控制

【摘要】1 本体结构特点 该箱体结构如图所示。其外轮廓尺寸是长645、高410、宽550的箱型开放式结构。整体结构特点主要表现为： 1.1外轮廓尺寸较大、板料薄、箱体上侧为开口式，底、右板窗口...

摘要： 本文针对薄壁开孔式箱型结构，焊接变形难以控制，不能满足图纸要求，已经影响到产品的总装性能的状况，通过对其容易产生焊接变形的各种状况进行细致分析，利用焊接变形理论，找出影响焊接变形的各种因素，并根据科研生产经验及预先估测可能产生的焊接残余变形，制定出合理的焊接工艺措施，从而有效地控制焊接变形，确保了后续的装配质量，满足了产品整体性能要求。

关键词： 薄壁不锈钢； 箱型结构； 焊接变形； 有效控制

中图分类号： TG404 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2012）04-0044-02

该薄壁不锈钢箱体是某产品上的重要部件，它前连发射装置，后接高压电源组件，传感器、控制器等机、电技术集于一身，在生产中，工件一旦出现变形超差，矫正的工作量比焊接工作量还要大，而且校正后也难以保证产品图要求。在科研产品生产中，由于局部变形的影响，只有通过现场修锉干涉部位或补焊机加余量不足部位，才能实现与其它相关部件装配联接的情况，这不但严重影响生产进度，同时也难以保证产品质量。这种生产模式只可勉强用于应付单件小批量生产，却不能适应定型产品的批量生产需要。为保质保量按时完成批量生产任务，在定型产品的技术准备中，根据产品的结构特点及科研阶段出现的问题，结合焊接变形理论，采取必要的控制焊接变形措施，确保了定型产品焊接质量的稳定性，为顺利实现后续加工奠定了基础。

下面通过对结构进行分析，结合焊接变形理论，就定型产品本体焊接工艺措施及改进等做如下阐述。

1 本体结构特点

该箱体结构如图所示。其外轮廓尺寸是长645、高410、宽550的箱型开放式结构。整体结构特点主要表现为：

1.1外轮廓尺寸较大、板料薄、箱体上侧为开口式，底、右板窗口面积较大，箱体内无支筋（早期设计），结构刚性极差。

1.2焊缝在结构上布置不对称，下部焊缝少，上部焊缝多，右侧、底部焊缝少，左侧焊缝多。

1.3长直焊缝多，薄薄板壁的内、外侧还焊有许多零、部件，焊接量很大。

2 箱体焊接存在问题及原因分析

成品变形明显，图纸中多个尺寸无法达到要求，形位公差无法满足。焊接后变形的矫正费时费工，且仍不能满足设计要求。焊缝颜色与母材本色反差大，不美观。经分析存在的变形有角变形、波浪变形、扭曲变形等。焊接变形和应力的形成是由诸多因素同时作用造成的。其中最主要的因素有：焊接上温度分布不均匀；熔敷金属的收缩；焊接接头金属组织转变及工件的刚性约束等。焊件上的温度分布不均匀（由于电弧的作用，焊件局部被加热到熔化温度，焊缝与母材之间形成了很大的温度梯度）。依据热胀冷缩的原理，物体受热要伸长，不同的温度其伸长量不同，接头的高温区域要求伸长量大而受阻，形成了压应力；而温度较低的区域伸长量小的部分因抵抗高温区的伸长，形成了拉应力，导致焊后焊件产生了各种变形。

3 采取的防变形工艺措施

焊接变形不仅会影响结构尺寸的准确和外形美观，而且还会加大机加、装配的累积误差，增加后续装配难度，严重者可能无法实现与相关部件装配而报废。焊接变形的机理是一个比较复杂的问题，目前在理论上尚未能达到精确计算的阶段，但是，焊接变形有其内在的规律性，理论上的定性分析有相当的可靠性，也就是说焊接变形是可以控制的。因此，针对该箱型开放式结构的焊接变形问题，结合焊接变形理论，采取必要控制措施，是可以将焊接变形减至最小，使之达到图纸要求。通过以上对焊接本体结构分析，根据加工难点，我们找出影响焊接结构残余变形的因素，采取有效的工艺方法和控制变形的措施，具体内容如下：

3.1减小焊缝尺寸

焊接内应力由局部加热循环而引起，为此，在满足设计要求的条件下，尽可能不加大焊缝尺寸和层高。减小焊缝截面积，在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下，尽可能采用较小的坡口尺寸(角度和间隙)；在满足设计要求情况下，纵向加强肋和横向加强肋的焊接可采用间断焊接法。

3.2确定合理的装焊顺序

在焊缝较多的组装条件下，根据构件形状和焊缝的布置，采取先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝的原则。

3.3采用合理的焊接方法，确定合适的焊接工艺规范

组成箱体的材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti，如焊接方法不当，易产生各种焊接缺陷，例如形成夹渣、气孔。与手工电弧焊相比，氩弧焊电流密度高，电弧热量集中，焊接熔池和热影响区较小，能明显地减小焊接变形及焊缝缺陷。因此，预焊及焊接尽量采用能量集中的氩弧焊。

3.4焊接时多种方式散热

将零件整体置于水中焊接（图a）；采用喷淋焊缝周边（图b）；焊缝区域增加散热板（图c）等方式，减少焊接受热面积及良好散热，有效减小变形。

3.5焊时、焊后矫正

锤击法减小焊接残余应力：在每层焊道焊完后立即用圆头敲渣锤均匀敲击焊缝金属，使其产生塑性延伸变形，并抵消焊缝冷却后承受的局部拉应力。但根部焊道、坡口内及盖面层与母材坡口面相邻的两侧焊道不宜锤击，以免出现熔合线和近缝区的硬化或裂纹。

3.6表面处理

采用抛丸法消除零件表面打磨、划伤及焊缝氧化痕迹，保证表面颜色一致，还可通过钢丸均匀敲打来抵消构件的焊接应力。

4 结论

实践证明，通过采取有效的工艺方法和控制焊接变形的措施，确保了焊接质量，为顺利实现后续加工及满足装配质量提供了必要的条件。同时简化了校正工序，降低了工人的劳动强度，提高了生产效率，在控制焊接变形方面积累了宝贵经验，提高了我公司市场竞争能力，为进一步提高产品质量打下了一个良好的基础。

参考文献：

[1] 朱颖主编.焊接技术与高招[M].机械工业出版社，2011.

[2] 付荣柏主编.焊接变形的控制与矫正[M].机械工业出版社，2006.