王晋平，徐 斌，牛中栋

（山西航天清华装备有限责任公司，山西 长治046000）

1 空间曲面结构件焊接变形原因

焊接结构件顶板采用空间曲面形状，背面采用焊接网格筋进行加强。焊接结构件全部选用4 mm厚HG785D型钢板，具有强度高，质量小的特点，实物图件图1。

图1 空间曲面结构件实物图

生产过程中，顶板采用压模一次压制成型，采用样板进行检测，曲面误差不大于0.5 mm。网格筋采用激光切割机直接成形下料，各尺寸误差不大于0.3 mm。组装并采用半自动混合气体保护焊焊接完成后，对顶板曲面进行样板检测，变形尺寸：空间曲面进行横向样板检测，最大焊接变形为9 mm，主要集中在曲面凸起变截面部位；空间曲面进行纵向样板检测，最大焊接变形为10 mm，主要出现在曲面上端，即凸起最高点；背面纵向宽度尺寸，收缩最大值为4 mm；背面横向宽度尺寸，收缩最大值为3 mm；背面检测平面度，对角线位置超过5 mm；背面检测对角距离，相差约7 mm。

焊接结构件使用时，背面平面需要与其他构件平面进行螺接，对下端平面度要求不超过2 mm。上端需要与其他成形曲面对接，要求贴合部分不少于80%。经过首次焊接完成的工件无法达到设计指标要求，且无法实现产品使用功能。鉴于焊接结构件采用HG785D型焊接钢板，无法高温校形，通过机械校形后，宽度和长度变短，曲面成形凸凹不平，无法满足产品匹配使用要求。背面下端面由于焊接变形较大，在校形过程中出现焊缝撕裂，造成产品失稳，无法满足产品承载要求。另外，由于焊接残余应力较大，附加机械强制校形，焊接结构件内部残余应力也较大，在自然时效后或使用过程中，焊接结构件尺寸会再次出现变化，极有可能产生较大变形引起其他部件损坏。

2 空间曲面结构件焊接变形分析

针对该焊接结构件在焊接和校形工序完成后出现的焊接变形、校形撕裂及残余应力等问题，逐一进行分析。

2.1 焊接变形问题

该问题根据工件焊接实施过程进行分析，主要从工件结构、焊缝分布和焊接方向三方面进行焊接变形产生原因的理论分析：

2.1.1 工件结构

工件采用左、右对称结构，焊缝全部分布在背侧，前半部分焊缝多、后半部分焊缝少，正面无焊缝结构。该工件首件焊接时的施焊顺序为：从中心部位向左端和右端同时焊接，焊接方向均采用图2所示方向，全部为从前端向后端施焊。

2.1.2 焊缝分布

通过焊缝结构分析可知，产品整体呈现内凹结构，上、下结构极度不对称，焊缝全部集中了在内凹一侧，焊接初期受热膨胀，造成顶板因壁厚较薄，稳定性较差，产生强度失稳变形现象。焊接后期冷却时，焊缝及热影响区的材料产生收缩变形，产生焊接变形和残余应力。而远离顶板部位采用栅格结构，强化了工件结构强度，稳定性较高，故焊接变形较小。因此，从焊接结构来讲，顶部强度较弱，底部强度较强，即底部稳定性相较于顶部较高。

图2 焊接结构件焊接方向示意图

依据焊缝分布状态分析可知，产品焊缝在前半部分布密集，后半部分分布较为稀疏。从焊接过程产生的影响角度可知，前端焊接时受焊接热循环影响较大，后端受焊接热循环影响较小。同时，前端中间存在外凸加强，焊缝长度增加，受到焊接热循环影响更大。因此，从焊缝分布来讲，前端较后端稳定性高、中间较左右两侧稳定性差。

2.1.3 焊接方向

结合焊接顺序分析可知，先中间、后左右的焊接顺序以及从前端向后端施焊的焊接方向，会因为产品焊接稳定性较差的中间、前端时，呈现自由变形状态，故焊接变形量较大。在后续焊接左右两侧、后端稳定性较强部分时，由于焊接变形已经产生，导致加强筋发生错位，在强行纠正后，焊接应力进一步较大，最终导致焊接变形越来越大，焊接残余应力也越来越大。

通过上述分析，可知在焊接结构本身不对称的情况下，加上焊缝分布不均和焊接方向选择不合理，最终导致产品产生了较大的焊接变形。

2.2 校形开裂问题

该问题主要从校形过程中，工件受力状态进行分析。在使用油压机进行机械校形过程中，采用四点支撑，中部下压的方式进行校形，示意图见图3。

在下压过程中，四点向上支撑，工件顶板受力向下延展。由于支撑部位较少，下压部位先产生弹性变形，再产生塑性变形，为达到校形效果，必须使中间产生较大的形变。在该承载情况下，中心部位出现较大的应力集中。结合焊接完成后工件应力集中趋势可知，内凸顶部的应力集中也较为明显。两者叠加，超过焊缝承载能力，直接导致校形过程中焊缝开裂。

图3 焊接结构件校形示意图

2.3 残余应力问题

产品经历焊接和机械校形后，存在焊接残余应力和校形应力。同时产品选用控轧工艺成形的焊接用高强钢板。未进行退火去应力处理。仅仅依靠振动时效，只能将应力进行消减。故在后续机加和使用过程中，应力会逐渐释放，直接影响产品尺寸精度。

3 解决空间曲面结构件焊接变形的办法

3.1 焊接变形控制

依据焊接变形产生原因分析结论和实物变形状态。针对焊接结构不对称、焊接过程易失稳的状态，拟定采用刚性固定工装进行控制。针对焊缝分布不均匀的设计要求，拟定采用优化焊接顺序，减少焊接变形的产生。针对薄板焊接易变形这一固有特点，采用分组件装点、留焊接收缩量的措施保证焊接变形后，使产品尺寸满足使用要求，具体措施如下：

1）纵向加强筋板两端各留3 mm焊接收缩量，横向加强筋板两端各留2 mm焊接收缩量。

2）顶板凸起顶部高度增高1 mm，用于焊接收缩量。

3）采用顶板仿形工装进行定位，组焊纵、横网格加强筋成小组件，焊接校形后再与顶板组焊。

4）焊接顶板时，在顶板一侧增加刚性固定工装，增强顶板稳定性。

5）焊接加强筋和顶板的顺序，改为由四周向中间施焊，并要求对称同时施焊。

采取上述五种焊接变形控制措施，进行实物验证后。检测结果如下：空间曲面进行横向样板检测，最大焊接变形为4 mm，仍然集中在曲面凸起变截面部位；空间曲面进行纵向样板检测，最大焊接变形不超过3 mm；背面纵向宽度尺寸，与图纸要求偏差不超过2 mm；背面横向长度尺寸，与图纸要求偏差不超过mm；背面检测平面度，对角线位置不超过3 mm；背面检测对角距离，相差约2 mm。在后续生产过程中，采用该方案，获得产品一致性较好，超过80%以上产品低于上述焊接超差值。

3.2 校形方法改进

依据校形开裂产生原因分析结论和实物开裂状态。采取上述焊接变形控制措施后，校形工作量大大减少。在此基础上，为保证焊接校形准确性和产品一致性，拟定采用图4所示工装进行下部支撑，完成校形过程。

图4 校形装配实物图

采用上述工艺装备，配合油压机在中间位置进行下压时，两侧均匀承载，可实现局部小范围校形。基于焊接变形控制良好的状态下，中间部位不再进行大变形量即可取得到良好的校形效果。

在后续批量生产过程中，采用上述方案，校形后的产品尺寸趋于一致，满足批量产品一致性的要求。

3.3 焊接应力消减

基于上述焊接变形控制和校形方法改进后，产品外形尺寸趋于稳定，在附带刚性固定工装进行振动时效，焊接应力得以大部分消减。焊接结构件承载能力趋于稳定，同时焊接结构件的外形尺寸趋于一致。

4 结语

根据产品首件生产结果，结合自身工作经验，运用变形产生及控制、消除的理论，对空间曲面焊接结构件变形原因、校形缺陷、质量风险进行分析。采用自制装夹和校形工装、焊接顺序调整两方面的控制措施，一方面成功克服了焊接变形大、校形撕裂的问题，另一方面有效地降低了产品残余应力集中的质量风险。

在后续多批次产品生产中，采用上述生产方案，进行焊接结构件的焊接和校形。经过多批次实物验证，未发现焊接变形超差报废问题和焊缝校形开裂问题，且在使用过程中未发现尺寸变化而影响使用现象，从根本上确保了产品的稳定性和可靠性。