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[轻量化自卸车] 轻量化自卸车侧板焊接变形分析及控制措施

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发表于 2020-9-9 19:20:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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徐 雷,曾辛未,童国宏
(陕汽淮南专用汽车有限公司,安徽 淮南 232008)
摘要:自卸车使用厚度更薄的高强钢(T700)以减轻车身自身质量,满足节能减排和降低运营成本的需求,但钢板厚度减少导致焊件变形问题更加凸显。通过对轻量化自卸车侧板典型焊接变形的分析,制订了控制焊接变形的有效措施。
关键词:高强度薄板;轻量化自卸车;焊接变形

随着节能减排成为国家发展战略以及客户迫切需要降低运输成本,自卸车轻量化已成为主要发展趋势[1]。本公司根据市场需要自主研发多款轻量化自卸车,其中,自卸车侧板在满足使用强度的要求下,采用了厚度更薄的高强钢(T700)面板和横竖肋,面板最薄可达2 mm,横竖肋厚度减至3 mm,满足了减小车辆自身质量的要求。但是,在实际生产阶段,由于面板和横竖肋刚度较小,失稳临界应力较低[2],导致侧板焊接过程中出现了较大变形。本文通过轻量化自卸车侧板2种典型变形产生原因的分析,制订了控制措施,收到了较好的效果。

1 焊接变形产生原因及侧板典型变形方式1.1 焊接变形产生原因分析

焊接变形主要是由焊接过程中焊缝和母材金属不均匀膨胀和收缩产生的焊接应力引起[3-4]。母材在焊接时由于受热不均匀产生不均匀膨胀,距离焊缝位置较近母材的膨胀受到了较远母材的限制,产生压应力,一旦压应力值超过母材屈服强度,母材产生压缩塑性变形,以释放超过母材屈服强度的那部分压应力。焊缝冷却过程中,一方面,焊缝金属从固态最大体积状态冷却到较低温度所占体积时,受到临近母材的制约,无法收缩到较低温度体积大小,从而产生拉应力;另一方面,距焊缝距离不同的母材在焊接过程中体积膨胀不同,母材恢复到原始体积过程中,体积变化量较大位置的母材受到临近体积变化量较小母材的制约,产生拉应力,并与焊缝冷却产生的应力叠加。一部分拉应力被母材不均匀膨胀时产生的压应力抵消,其余的拉应力则形成焊接残余应力,使焊缝及近焊缝区产生沿着焊缝方向的纵向收缩和垂直于焊缝方向上的横向收缩,一旦因焊件刚度或拘束力不足无法抵抗残余应力,使残余应力得到释放即产生塑性变形。为保证内应力的平衡,根据结构的不同,焊件内部会产生不同的应力分布,最终形成的焊接变形按形态主要分为纵向变形、横向变形、弯曲变形、角变形和波浪变形等。

1.2 自卸车侧板典型焊接变形方式

本公司薄板自卸车侧板实际焊接过程中,对产品质量影响较大的变形方式可分为整体变形和局部变形,如图1所示,其中a,b所示区域的具体变形状态如图2所示。整体变形主要为上横梁的弯曲变形,进而导致侧板整体平面度变大(图2a),自卸车合厢完成后导致箱体内部尺寸变大。局部变形主要是侧板竖肋凹陷变形(图2b),局部变形在喷涂完成后对车辆整体外观质量造成较大影响。

图1 自卸车侧板变形位置示意图

图2 自卸车侧板整体变形和局部变形示意图

根据焊接理论,面板与横梁组成的焊接组合件类似于T形接头。从一侧向另一侧施焊时,上横梁类似于平板条边缘堆焊,由焊缝一侧冷却后,焊接应力在焊缝和近焊缝处形成拉应力,中间部位产生压应力,无焊缝一侧产生拉应力,从而使整个焊件总体内应力为零,因此在对上横梁和面板之间形成的角焊缝施焊后,焊接应力产生沿着焊缝方向的纵向收缩,上横梁在焊缝方向上产生中间内凹、边缘外凸的焊接弯曲变形。焊缝冷却后虽然同样会引起面板纵向收缩,但面板刚度相对于上横梁更小,无法限制上横梁的焊接变形,即角焊缝在上横梁和面板形成的焊接组合件结构截面的中性轴之下,而使焊接组合件最终呈现出上横梁的弯曲变形状态,且焊件整体因钢板厚度较薄刚度较小,使焊接变形更加明显,见图2a。侧板竖肋凹陷变形往往出现在竖肋与横肋焊接焊缝的中间位置(图2b),原因主要是横竖肋焊接完成后,焊缝残余应力使近焊缝区形成拉应力,产生垂直于焊缝方向上的横向收缩,由于焊接件总体内应力为零,远离焊缝位置便产生压应力。竖肋中间位置处于压应力区,且薄板临界失稳应力较小,焊接引起的压应力很容易超过薄板临界失稳应力,产生失稳内凹变形。

2 侧板焊接变形的控制方法

控制焊接变形一般从两个方面着手,一方面是减小焊接引起的焊接残余应力,另一方面是提高焊接件抵抗收缩变形的能力。

焊接变形主要是由焊接过程中热输入不均匀产生的残余应力引起的,热输入越大,温度梯度越大,受影响区域越大,进而产生的残余应力越大,因此减小热输入可以有效减小焊接变形。为减小热输入,在保证结构足够强度的情况下,应减小焊缝横截面面积,同时尽量减小焊缝总长度。即在产品设计过程中制订合理的焊接要求,如角焊缝焊脚、焊缝长度与间隔等,在产品施工过程中制订保证焊接要求的焊接工艺参数,如焊接电流、电弧电压、焊丝直径、焊接速度等。

为了提高焊接件抵抗收缩变形的能力,在产品设计过程中,尽量增大焊件的刚度,一方面可以选择强度更大的材料,如增加板厚,整体框架尽量采用型材而不是折弯件等;另一方面在产品结构和焊缝布置上予以改进,如局部易变形部位增加加强肋或采用冲压结构,焊缝尽量布置在接近焊接件中性轴位置等。同时在施工过程中,通过增大焊件拘束力结合适当反变形可有效减小甚至消除焊接变形。

结合本公司实际情况,在自卸车整体设计结构无法较大调整的情况下,针对轻量化自卸车侧板2种典型变形情况,在经过实际生产验证后,制订了相应的焊接变形控制措施。

2.1 侧板上横梁焊接弯曲变形控制措施

(1)减小热输入 轻量化自卸车往往是运输一些细沙石,对焊缝强度要求不高,在满足强度的要求下,考虑尽量减小焊缝长度和焊缝横截面积,减小热量输入。同时,为满足焊接要求,通过查阅《实用焊接工艺手册》[5]并进行工艺验证,制订了相对合理的焊接工艺参数,具体见表1。

表1 侧板焊接要求和焊接工艺参数

(2)改变焊接顺序 由于上横梁与面板组成的角焊缝位于中性轴之下,改变焊接顺序并不能改变上横梁变形的方式,但是通过改变从头到尾连续焊接的方式可以使热量分散,从而使焊接变形均匀,不至于出现焊缝末端变形较大的情况。实际焊接过程中为保证焊接效率,同时能够有效控制焊接变形,采用分段退焊法效果较好,两侧焊缝对称同步焊接,整体变形较为均匀,局部严重变形得到有效控制,如图3所示。

图3 分段退焊法

(3)增加焊件本身的拘束力 实际焊接过程中,首先在侧面板上点焊定位横竖肋及上下横梁,定位完成后,先焊横竖肋及上下横梁结合的立焊缝,使横竖肋与上下横梁组成一个整体框架。焊接过程中,由于上横梁受到整体框架的限制,抵抗焊接变形的拘束力变大,一定程度上可以减少焊接变形[6]。

(4)刚性固定 采用自卸车焊接平台自带的液压压紧装置,在焊接之前将侧板上下横梁进行压紧固定,施焊完成后继续保持刚性固定状态至焊缝温度接近室温后再解除压紧固定。采用刚性固定时应注意油缸和焊件之间加垫一定长度的木块,防止压紧部位内凹变形。

通过以上方式可以对上横梁弯曲变形进行有效控制,但却无法消除,实际验证结果能够使侧板面板的平面度控制在5 mm之下。需要指出的是,侧板横梁焊接过程中很难采用反变形法对焊接变形进行提前或焊后矫正,因为上横梁厚度较薄,在反变形过程中极易出现中间支撑部位或两侧下压部位压力超过横梁的屈服强度导致局部发生塑性内凹变形,无法恢复,使得侧板横梁报废。

2.2 侧板竖肋凹陷控制措施

(1)减少热输入 引起内凹变形的原因主要为横竖肋对接处焊缝热输入造成的,焊接时同样按照表1所示参数进行焊接,在保证焊接强度的情况下减少热输入。

(2)增大横竖肋高度差 由于竖肋内凹是由于竖肋中间区域处于压应力区,通过增大横竖肋高度差,使焊缝远离竖肋中心区域,焊缝热影响区重新分布,焊缝收缩引起的压应力部分分布在竖肋折弯边上,减小了竖肋中间部位的压应力,减轻了内凹变形。实际设计过程中,横竖肋高度差控制在10~15 mm,最大不超过15 mm,高度差太大会造成侧板框架强度的降低。

(3)增加刚性固定结构 竖肋内凹变形是由于临界失稳应力小于焊缝收缩产生的压应力,通过在内凹部位竖肋内侧增加加强肋,对竖肋变形部位进行刚性固定,可以限制薄板的内凹变形。本公司采用如图4所示结构进行刚性固定,效果较好。

图4 竖梁内加支撑板

除了上述方法,还有一种更有效的方法就是对竖肋内凹变形部位进行冲压,增强薄板焊件本身抵抗焊接变形的刚度(图5),但限于本公司设备加工能力和生产成本考虑,该结构并没有实际应用。实际加工过程中,通过以上3种措施能较好地控制竖肋内凹变形,竖肋平面度能够控制在2 mm以内。

图5 竖肋冲压防变形

3 结语

轻量化自卸车由于采用厚度更薄的钢板进行焊接,焊接变形往往表现的更加严重。侧板作为轻量化自卸车关键的外观和承重分总成,在本公司实际的生产过程中,通过制订合理的焊接工艺,改变焊接顺序,进行刚性固定和结构改进等措施,有效改善了2种典型焊接变形对产品质量的影响。总之,实际焊接过程中,焊接变形的控制应根据焊件的结构和特点制订针对性的改善措施,基本思路虽大致相同,但须因地制宜,不断摸索和验证,选择最合理最有效的方法。

参考文献:

[1]张 力,李厚挺,付龙古.自卸车轻量化、标准化、环保化之路[J].创新科技,2011(2):16-17.

[2]徐芝纶.弹性力学[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3] Blodgett O W.Distortion:How to minimize it with sound design practices and controlled welding procedures plus proven methods for straightening distorted members[M].Lincoln Electric Company,1984.

[4]陈祝年.焊接工程师手册[M].2版.北京:机械工业出版社,2010.

[5]王洪光.实用焊接工艺手册[M].2版.北京:化学工业出版社,2014.

[6]王长生,薛小怀,楼松年,等.薄板焊接变形的影响因素及控制[J].焊接技术,2005,34(4):66-68.


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