矿山挖掘机燃料油箱的焊接变形控制方法

高健春

小松雄连机械制造有限公司 辽宁大连 116104

1 序言

国外某型号大型矿山挖掘机燃料油箱外形如图1所示。由图1可知，其大致呈长方形结构，主要由本体板、腔室隔板、侧板、上盖板、走台板、油箱安装块、大扁钢及加固方管等构成，油箱是通过上面的2个安装块（或称油箱腿）安装在挖掘机主框架下方的。箱体后面高出的箱体板兼作挖掘机的外部围板，围板顶部有扁钢，扁钢上面有开孔，将用于安装上部的其他围板。该油箱长3950mm、宽1920mm、高1720mm，内部容积为5582L，总重量为2980kg。油箱板主体材料为Q355D钢，厚度为8～16mm，厚度最大处是两个油箱腿，达到105mm。

图1 油箱外形

隐藏了上盖板和走台板后的油箱内部结构如图2所示。由图2可看到，油箱内部被隔板分成了5个腔室，2个油箱腿又通过隔板连接到油箱底部，以承担油箱全部的重量。

图2 油箱内部结构

2 工艺路线的确立

设计要求的4个关键特性如图3所示，也是本文要着重解决的问题。因箱体较大，所以焊接变形不可忽视，否则无法满足精度要求。对于如何消除焊接变形有两种工艺方案可选，一是油箱腿及大扁钢都使用毛料焊接，也不开孔，待箱体全部焊接完成后，再在大型加工中心上加工油箱腿及大扁钢的上平面，然后钻孔、攻螺纹，即所谓的焊后机加工；二是在焊接前就将油箱腿及扁钢都加工好，焊接时采取适当的措施抑制或抵消焊接变形，使其直接达到设计精度要求，即所谓的焊前机加工。

图3 关键特性

方案一在理论上可以消除焊接变形的影响，能满足设计要求，然而在具体实施时会有不少困难。首先是由于箱体过于巨大，形状也不规则，因此难以在机床上可靠装夹；其次是箱体作为容器自身并没有足够的结构刚性，未必能获得预期的机加工效果。注意到所要求的精度也并非难以达到，结合以往的经验积累，综合评判后认为方案二，也就是油箱腿和扁钢在单件阶段均加工好的焊前机加工工艺路线是可行的，也更为经济。

3 对油箱焊接变形的分析预判

在4个关键特性中，特性1与特性2即油箱腿孔距和上表面轮廓度最为重要，因为它直接影响到油箱能否被顺利安装在机架上。油箱腿的子部件构成如图4所示，为方便描述将其翻转成正面朝下的状态。结合图2可看到，油箱腿与油箱隔板焊接在一起，辅以4块筋板以增强结构的稳定性并提升强度。

图4 油箱腿子部件构成

3.1 焊接收缩对油箱腿孔距的影响

能影响油箱腿孔距的主要是5块上盖板的焊道，这些焊道又可分为与两油箱腿孔距连线相垂直的纵向焊道和相平行的横向焊道。与孔距平行的横向焊道属于钢板本身的热收缩变形，而且离孔距连线较远，对孔距影响较小；而与孔距垂直的纵向焊道，因为存在焊接坡口，焊道根部的钝边较窄，焊接熔深较大，加之定位焊接时存在无法避免的装配间隙，而且焊道位于孔距之间，所以会产生更大的焊接收缩，如图5所示。

图5 纵向焊道的焊接收缩情况

基于以上分析，并结合以往积累的实测数据，重新设计了隔板间距，即将箱体总体加宽、孔距加大，以抵消焊接收缩[1]。具体来说，对于这种规格的油箱，认为孔距加大4mm较为适宜，这4mm将被由4块隔板所构成的3个腔室分配，隔板2和隔板3两边都有焊道，共4条焊道，每条焊道分配1mm，4条焊道合计4mm。隔板1和隔板4焊道的影响也一并纳入到这4mm当中，而左右侧板因为在孔距的外侧，对孔距没有影响，所以可不做补偿。这样两个油箱腿之间的孔距增加了4mm，油箱总宽也随孔距同样加宽了4mm，对应油箱本体板、上盖板、走台板及前面板等的下料尺寸均做相应改变，如图6所示。

图6 箱体主体加宽

3.2 焊接收缩对油箱腿上平面轮廓度的影响

虽然孔距拉宽后可以补偿掉焊接收缩，但油箱腿的上平面轮廓度（关键特性2）同样会受到焊接的影响。因隔板上部的焊道多于下部，焊接收缩量要大于下部，故其变形趋势将是向内侧倾斜，如图7所示。这种焊接变形不容易通过预先加入逆变形来抵消，较好的解决方案是用夹具固定的方式来抑制焊接变形，即所谓的刚性固定法[2]。

图7 油箱腿变形趋势

为此，设计制作了一套焊接油箱腿专用的夹具，该夹具由1根主梁、2个立柱及2块底板组成，底板上面有开孔，与油箱腿自带的螺纹孔逐一对应。底板经由立柱与主梁连接，形成门形结构。使用时用螺栓将油箱腿夹持在夹具底部。图8所示为箱体与夹具的前视图。夹具所起的作用有两个，一是确定了定位焊阶段的孔距；二是确定了两个油箱腿的平面轮廓度。夹具主梁用厚壁矩形方管，有较高的结构强度，以抵抗油箱腿的扭曲变形。该夹具自装配阶段安装后一直到整个箱体的主焊道全都焊接完并充分冷却后再拆下。

图8 箱体与夹具的前视图

3.3 焊接收缩对外围挡板平面度的影响

箱体后侧的一部分箱体板兼作挖掘机的外围挡板使用，实际上这部分已不再是油箱，而是构成挖掘机的外观覆盖件。但围板的上部没有约束，油箱走台板与围板的焊接将会产生明显的以焊道为轴线的角变形，使焊道上部的围板向内倾斜，这种变形一旦形成就难以修复，不仅影响外观，也使上面大扁钢的孔位置度与图样要求相距甚远，因此不做任何处理就直接焊接是不可行的。应对这种情形的最好措施就是做焊前逆变形，即把这部分围板预先做出与焊接变形相反的变形，以抵消焊接变形（见图9）[3]。这个焊接逆变形可在弯板工序顺便做出，故无需额外增加工序。由于焊接变形量计算难度大，为避免出现因焊接变形而导致箱体报废，用同样的板料进行了焊接试验，测得此处的焊接角变形量为3°，也就是预先做出3°的反变形后即可抵消焊接角变形。采取这样的措施后，为达成后续的关键特性3和4打下了基础。

图9 预先加入焊接逆变形

3.4 焊接对扁钢形位精度的影响

围板上面焊接的扁钢用来安装其他围挡板的基座，上面有安装孔，图样上也给出了较为严苛的位置精度，也就是关键特性3和4。由图10可知，扁钢由方管支撑，左侧面和下面的一条边与围板焊接。这是一种非对称的焊接结构，而扁钢又是一种细长结构，处理不好会使扁钢产生弯曲变形。

图10 用辅助方钢抑制焊接变形

为将焊接变形控制在最小范围内，采取了如下对策：首先，把一根与箱体总长相同的方钢临时焊接到围板上，以保持围板的平面度，然后按图样位置装焊支撑方管，最后再放上扁钢进行定位焊接。

正式焊接时先将箱体放倒，使围板置于平台上并夹紧，在此状态下焊接焊道1（见图11），之后再将箱体翻转回原有的姿态，焊接焊道2。

图11 放倒箱体焊接

因为这两条焊道都是直通的长焊道，所以从降低焊接难度和防止焊接变形这两个方面考虑，都要做分段焊接。按图12的方向和顺序分段焊接，得到了较为满意的效果。

图12 扁钢分段焊接

4 总焊接工艺流程

解决以上瓶颈后，其他焊接工作按常规要求施工即可。油箱焊接与其他结构件焊接要求的一个最大不同是不能出现泄漏点，尤其是在焊道的交汇点，要格外注意。总的焊接过程如图13所示。

图13 焊接全过程

5 效果确认

采取上述措施后，经检测这些关键特性尺寸均被控制在图样所要求的范围内，油箱顺利完工按期交付，并在国外工厂一次装机成功。实践再次证明，焊前机加工的工艺是可行的，这样的焊接工艺得到了客户的认可，也成为生产同类油箱的标准工艺流程。车间生产场面如图14所示，成品油箱如图15所示。

图14 车间生产场面

图15 成品油箱

6 经验总结

当箱体完成了整体的定位焊后，结构大致固定，在实施正式焊接时，在焊接热循环作用下，焊缝及其附近的金属在热膨胀时因受到结构的阻碍而无法进一步膨胀，产生压缩塑性变形，而冷却后，这些压缩塑性变形区相当于使板料承受压力，产生了焊接收缩变形。为减少焊接变形以获得高精度的焊接结构尺寸，在具体的施工过程中以下做法均有效。

1）提高下料精度，尽量减少焊接接头的对接缝隙，这种缝隙会引起较大的焊接收缩，且收缩量难以控制。

2）尽量减少焊接热输入，多层焊接时，每次的热输入比单层焊接小得多，故焊接收缩量也变少。

3）用直线焊道替代摆动焊道可以得到更小的焊接收缩和变形（见图16）。

图16 用直线焊道替代摆动焊道

4）在满足结构强度要求的前提下尽量减小焊缝的截面积，这对减少焊接收缩与变形很有好处。

5）在同样板厚条件下，双V形坡口比单V形坡口的收缩量小。

6）对称结构的焊道用两台或多台焊机同时焊接，不仅能大幅提升效率，还能减少因残留应力分布不均而造成的扭曲变形。

7 结束语

小型油箱的焊接变形小，对尺寸精度影响也小，往往可以忽略不计。但在焊接大型油箱时，不论是收缩变形还是扭曲偏转变形都会严重影响尺寸精度。虽然焊后机加工是一种获得尺寸精度的方法，但因为油箱体积太大、自身刚性差，所以不论从经济上还是效果上来看都不是最佳方案。通过对箱体结构的分析，抓住其变形机理，制定有针对性的措施，就可以消除或抑制焊接变形，从而满足设计要求。

1）确定焊接收缩补偿量，并进行恰当分配，建立新的模型，基于该模型下料施工。

2）平面度可借助高刚度夹具来保证。

3）长焊道两侧的板面预先设置焊接逆变形，以抵消焊后出现角变形。

4）细长结构的扁钢件用分段交错焊接，并保持焊接方向相同，以防止出现挠曲变形。