大尺寸结构件焊接变形控制

张治国 滕 达 郭宝玉 郭利新 刘乐威

（河南能源化工集团重型装备有限公司，开封 475000）

PC模台具有面积大、厚度小、台面平面度要求高以及焊接变形不易控制等特点。台面平面度要求≤2 mm，常规工艺通常采用焊后整体加工台面的方法保证台面平面度，存在生产效率低、成本高以及加工难度大等缺点。模台拼焊过程中，台面平面度是制作过程中的控制重点，也是制造企业一直研发攻关的难点。河南能源化工集团重型装备有限公司2020年承接台面板厚t12、长×宽为5.6 m×3.9 m 的PC模台制作。台面板厚薄，若通过焊后加工的方法保证平面度，会导致台面板厚减小，影响使用强度。为控制焊接变形，通过各种焊接变形控制措施证明，在保证一定的反变形前提下，采取刚性固定和合理焊接顺序的方法可以有效控制焊接变形量[1]。

1 模台结构分析

PC模台结构如图1所示，分别由台面、框架以及移动轨道组成。根据焊接变形大小，将模台台面分为A区域、B1～B4区域以及C1～C2区域共7部分。从模台台面（图1）可以看出，此PC模台台面尺寸较大，台面板厚小，只通过焊接变形控制措施保证台面平面度≤2 mm难度较大。

图1 模台台面外形示意图

2 拼装方法

下料时，使用锯床下料，保证横向型材下料尺寸、拼装间隙≤2 mm，避免拼装间隙过大产生过大应力，引起焊接变形。拼装前使用平台复检槽钢和工字钢平面度，保证全长平面度≤1.5 mm。

为保证台面平面度，先准备拼装平台，使用测平仪及等高铁找平焊接平台。拼装时，以平台为基准，先拼装模台框架。模台台面一侧按图纸要求紧贴平台拼点，定位焊后复检各件与平台之间间隙，保证各件与平台间隙≤ 1 mm。将台面放在平台上，使用测平仪或3 m以上板尺配合塞尺测量台面平面度。本次研发过程中使用长3.5 m的加厚铝合金加厚板尺及塞尺测量平面度，保证对角及各位置平面度≤1.5（框架自重可改善台面钢板平面度）。在台面上划框架定位线，吊框架在台面定位线处，保证拼装间 隙≤1.5 mm·m-1。

3 焊接顺序

为减少焊接变形，降低焊接残余应力，在保证焊缝强度前提下，本次采用二氧化碳气体保护焊、ER50-6焊丝、小电流、电压进行断续焊焊接。焊接遵循先里后外、先短后长、分段退焊的焊接顺序原则。由中心向外均分，对称焊接。大于1 m的长焊缝采用分中对称退焊法。定位焊、焊接均按此顺序[2]。

4 焊接变形控制措施及焊接变形大小

在PC模台项目焊接时，分别采用无束缚自由焊接收缩、反变形法、刚性固定法等方法对焊接变形进行分析研究，得到实验数据。

4.1 无束缚自由焊接收缩

在无束缚自由收缩状态下焊接时，焊接变形情况如图2所示。从图2和表1不难看出：台面在A区域无明显变形，可以满足平台使用要求；B和C区域变形量超过2 mm。 C1～C2区域是变形量最严重，变形量在3～6 mm；B1～B4区域内主要是对角线方向尺寸超差，变形量在1.8～4.5 mm，横向尺寸受到C区域影响导致部分尺寸超差。从上述分析可以看出，模台焊接变形控制主要在于C1～C2区域焊接变形的控制。通过无束缚、无反变形情况下焊接变形分析，可为采取焊接变形控制措施提供依据[3]。

图2 无束缚自由焊接收缩变形区域

4.2 反变形法

为把B区域、C区域焊接变形控制在2 mm范围内，拼框架时，使用4 mm等高垫板按照图3方法进行拼装。在保证A区域平面度前提下，控制B区域、C区域反变形量约4 mm。框架定位焊后进行加固焊接，然后拼点台面。焊后变形量，如表1所示。可以看出，B区域、C区域焊接变形虽然得到改善，但台面平面度仍不能满足使用要求。主要原因在于反变形法是台面局部反变形，在B和C区域之间有明显的折弯点，焊后台面呈现凸凹不平的波浪变形，影响A区域的平面度，不利于批量生产质量的稳定性。

图3 反变形法示意图

表1 不同区域不同焊接方法焊接变形量（单位/mm）

4.3 刚性固定法

由于模台台面较大，在焊接应力及槽钢和工字钢内应力影响下，焊后变形量呈现多样化。另外，台面较长，火焰矫形和机械矫形难度大，所以选择合理焊接变形控制措施是保证模台焊后平面度满足使用要求的关键[4]。

通过对模台无束缚自由焊接收缩变形量和反变形法焊接变形分析，反变形法对模台焊接变形有一定的控制作用。结合上述两种变形情况，按照图4方法，将两件拼点好的模台台面对台面、中间垫6 mm垫板、使用6～8件卡子打紧，使宽度两侧台面贴紧。按照要求焊接顺序焊接，焊后去除卡子。使用3.5 m长加厚铝合金板尺、塞尺测量焊接变形如表1所示，只有B1区域对角线变形量3 mm超过模台使用要求，其余均在2 mm范围以内。通过在B1区域局部进行火焰矫正，测量后平面度≤2 mm，满足平台使用要求。使用刚性固定反变形法控制模台的反变形量，可以预防焊接过程中在焊接应力作用下引起的多样化焊接变形，同时可以保证焊后台面存在1～2 mm向上的挠度，焊后在模台自重作用下保证台面平面度。

图4 刚性固定法示意图

经过批量生产验证，使用刚性固定法控制PC模台焊接变形，变形分布情况为约80%变形超差的区域为B1～B4对角线区域，约20%变形超差的区域在C1～C2局部位置，均可通过火焰矫正方法对面板平面度进行校正[5]。

5 结论

（1）焊接变形较为复杂，针对不同结构件、不同焊接方法焊接变形控制措施差异较大，对于特定的结构件可以从焊接变形规律和焊接变形分布情况分析验证，寻找合理的控制措施，使其满足产品的使用要求；

（2）焊接变形控制措施如焊接顺序、反变形法、刚性固定法等方法的合理配合使用，可以有效控制大尺寸结构件变形量；

（3）在一定反变形条件下刚性固定，通过合理的焊接顺序，可以控制大尺寸结构件焊接变形。