箱型结构梁制作的变形控制

箱型结构梁制作的变形控制

邱涛  张文胜  林飞

中车长江车辆有限公司   湖北武汉    430212

摘要：箱型结构梁制作中最大的难点就是变形控制，本文根据大量工程实例重点讲述箱型结构梁在制作过程中焊接变形的影响因素和控制变形的关键措施，通过采取相应措施保证箱型结构焊接质量、控制变形，力求把箱型结构变形降到最低。

关键词：箱型结构梁焊接变形关键措施控制变形

一、简介

由于箱型结构梁具有重量轻、承载大等优点，所以在铁路车辆、空轨车辆、桥梁制造等领域得到广泛应用。在此分析产生变形的原因和控制变形的方法。

二、产生背景

Aurizon平车采用的即为变截面箱型结构中梁。由于其结构尺寸大，各种支撑、隔板多，结构复杂，制造时焊接量大，焊接变形严重。在此分析产生变形的原因和控制变形的方法。

三、操作方法

1 焊接变形的影响因素

焊接是一个局部加热的工程。焊接变形可以区分为在焊接热过程中发生的瞬态热变形和在室温条件下的残余变形。焊缝区的收缩将引起结构件的各种变形和残余应力，影响焊接变形的因素很多，但归纳起来主要有材料、结构和工艺三个方面。

2. 1 材料因素的影响

材料对于箱型结构焊接变形的影响不仅和焊接材料有关，而且和母材也有关系，材料的热物理性能参数和力学性能参数都对焊接变形的产生过程有重要的影响。其中热物理性能参数的影响主要体现在热传导系数上，一般热传导系数越小，温度梯度越大，焊接变形越显著。力学性能对焊接变形的影响比较复杂，热膨胀系数的影响最为明显，随着热膨胀系数的增加焊接变形相应增加。

2.2 结构因素的影响

箱型焊接结构的设计对焊接变形的影响最关键，也是最复杂的因素。其总体原则是随拘束度的增加，焊接残余应力增加，而焊接变形则相应减少。箱型结构在焊接过程中，构件本身的拘束度是不断变化着的，因此自身为变拘束结构，同时还要受到外拘束的影响。在设计箱型结构时，常常需要采用隔板来提高结构的稳定性和刚性，这样做不但增加了装配和焊接工作量，而且在某些区域，如隔板等，拘束度发生较大的变化，给箱型结构的焊接变形分析与控制带来了一定的困难，因此，在结构设计时对箱型结构中的板的厚度及隔板的位置、数量等优化对减少焊接变形有着十分重要的作用。

2.3 工艺因素的影响

焊接工艺对焊接变形的影响方面很多，例如：焊接方法、焊接热输入量、构件的定位或固定方式、焊接顺序、焊接胎架及夹具的应用等[3]。在各种工艺因素中，结合大量的工程实例，箱型结构的焊接顺序对焊接变形的影响最为显著，特别是对于厚板坡口的多层焊以及焊接工艺参数也对焊接变形有十分重要的影响。

3 变形控制措施

3. 1 材料及其下料坡口控制

1）由于钢板在轧制或运输的过程中，可能在钢板的内部存留有部分残余应力或是运输方式不当可能造成钢板的平整度下降，以至于在钢板的局部出现凸起、凹陷的现象，要求来料后首先进行平整度检查，对不符合要求的钢板采用平板机对钢板进行平整，即释放了钢板的内部残余应力。

2）下料时焊缝坡口所在板通过计算和试验，宽度方向合理留出焊缝收缩量。由于焊缝横向产生横向缩短，产生横向收缩大约为焊缝截面平均宽度的 10%。焊缝产生纵缩短，在长度方向留出合理余量（一般为 20mm),构件制作完毕后，进行二次下料。

3）坡口的切割则会直接关系到焊接的内、外在质量和焊接变形量的大小，特别是腹板两侧的坡口如果不一致将会导致焊缝两侧金属填充量的不同和热输入不同，使得两侧的焊接变形无法相互抵消，进而产生扭曲或侧弯变形。

4）箱型构件四角主焊缝设计采用 50°V 型坡口，钝边 2mm，间隙 2mm的焊缝形式，在保证焊缝质量的前提下，实际采用 45°±5°V 型坡口，从而减小主焊缝的坡口截面尺寸，降低受热量，减小了焊缝收缩量。

3. 2 组对装配变形控制

箱型结构组对装配变形控制主要从以下三方面来考虑。横隔板加工:对于箱型结构来说,横隔板尺寸精度控制是非常必要的，是保证箱型构件组装质量的关键，隔板的垂直度直接影响组装箱型构件的旁弯、扭曲度。隔板制作完成后需要测量整体尺寸，要求长度、宽度、直角精度均不超过 2mm，两对角线绝对误差要小于 3mm。为防止隔板制作完成后运转变形，需要对隔板增加内工艺撑，在隔板制作成形施焊前安装到位。

结构装配：应当在测平的平台上进行组装，然后依据箱型的外形尺寸设置挡板，用钢楔调整拼板间的位置，并且拼板作业烧焊前要设置压块防止焊接变形。对于有拱度值的箱型构件，根据拱度值确定每档胎架的高度差（用激光经纬仪测定)，胎架布置后测量每档胎架的平行度、垂直度及纵向高低差。应当特别注意的是箱型埋弧自动焊主缝的坡口间隙，必须组对均匀一致，这样才能保证主缝焊接时两端热输入量一致，使得变形相互抵消。

3. 3 焊接变形控制

1）确定合理的焊接顺序。

2）箱型内部原采用手工电弧焊，现改用线热能较低的 CO2 气体保护焊，四角主焊缝采用 C02 气体保护焊打底两遍，埋弧自动焊盖面一遍，并将箱型同一侧的两道主缝按照同一规范一次焊接完成，产生的焊接变形可以相互抵消，可以一定程度上消除焊接变形的产生，又改变了图纸全部埋弧自动焊焊接的工艺，有效降低了焊接线热能。

3）采用对称焊接:箱型构件四角主焊缝及纵向肋板都是对称布置,施焊中采用对称焊接。

4）内部横向隔板先用胎具制作成隔板框，保证尺寸的准确性，减小组对成箱型整体后内部焊接量。

5）筋板、横隔板与箱体构件的焊缝采用分段、分散对称焊，减小变形。长直焊缝采用分段退焊法，每段焊缝长度为 350mm。

6）严格工艺规范：为确保构件加工质量，每次施工前，必须通过分析和试验，确定合理的施工工艺方案。

7）焊缝同一部位的返修次数，不宜超过两次。当超过两次时，应当经过焊接技术负责人的核准后，按照返修工艺进行。

3. 3 焊接变形的矫正

对焊接造成的变形进行火焰矫正。具体做法是校核完水平度后，在变形的钢板表面加热，使其在钢板的厚度方向上产生温差，使加热的正面残余塑变量大，反面塑变量小，以达到“拉平”钢板的目的。因此在加热区域（焊接热影响区）根据板厚选择适当的温度和速度加热，并要求在温度扩散至反面之前迅速冷却。对加热区的凸起处，不得用铁榔头直接敲击。由于一般钢箱内的横隔板厚度较小，焊缝热影响区范围小，所以注意火焰矫正区域不宜过大，一般加热区域不应超过横隔板厚度的 3 倍。火焰矫正完以后应复查箱型构件的直线度、平面度；检查其端口的开档尺寸，以及端部腹板与翼缘板的垂直度。

4结语

箱型构件的制作工程控制变形难度较大，产生扭曲变形的机率较多，通过对各道工序制作过程的控制，确保每道工序的误差在允许的偏差范围之内，把变形消除在过程中，只有这样才能保证生产出合格的产品。本文所介绍的箱型结构制作的工艺要领是经过理论计算和实践验证的成熟技术，可以供生产箱型钢构件时参考借鉴。

5.参考文献

1．《铆工工艺学》（第二版）     中国劳动出版社

2．《铆工工艺学》             劳动人事出版社

3．《焊工工艺学》             劳动人事出版社

4．《冷作工艺学》             机械工业出版社