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摘要 ：在工程机械制造领域，对于设计产品的主体结构连 接方式，主要依靠焊接的生产方式。焊接生产方式的广泛应用 得益于焊接的优点， 其可以焊接任意形状的板材、铸件等， 焊缝 性能优于母材， 焊缝连接处的可靠性更高。对于复杂的、难度较 大的结构， 焊接加工有着更强的优势。与铸造相比， 其生产成本 更低，生产周期更短，与铆接相比，其连接性能可靠性更高，特 别是针对工程机械类结构件的加工，结构焊接能够在最大程度 上提高材料利用率。但是焊接产品也不是完美无缺的，如焊接 气孔、咬边、融合不良等缺陷也伴随着焊接产品。同时，由于焊 接热效应导致一定的焊接热变形也是引起产品质量问题的重要 因素之一。本文围绕工程机械结构件焊接变形进行论述研究， 并给出相关控制手段，为实际焊接现场的生产制造提供焊接理论支持。
在工程机械领域，特别是铲运机械(如推土机、装载机等) 的制造过程中，由于施工现场环境恶劣，使用工况差，结构件的 焊接质量直接决定了整机的性能好坏。焊接作为生产过程中最 基础的一环，其对结构件的生产有着不可替代的作用。在工程 机械结构件焊接作业流程中，作业工艺的合理性会对结构整体 的质量产生较大的影响。因此对于工艺编制人员来说， 一定要保 证设计工艺的合理性，通过工艺手段，尽可能的控制焊后变形 量，并减少各类焊接质量问题的产生， 以此来提高生产产品的质 量，保证产品的市场竞争力。生产过程中的焊接工艺编制流程 主要包含对材料的预处理、下料工艺尺寸要求、焊接方法 / 设备 选择、耗材夹具选用等。工艺编制人员应综合考虑多方面影响因 素，来保证焊接质量及尽可能的减小焊接变形。
在综合影响下，焊接方式的选择及设备的选用也占重要一 环。通常采用气体保护焊焊接方式， 在气体保护焊中又分为单一 气体保护焊及混合气体保护焊。常见的混合气体由 80% 的氩气 和 20% 的二氧化碳气体构成。经实践证明，混合气体保护焊在 焊接过程中能够降低焊接飞溅量， 从而提高焊接质量。在实际操 作中，由于焊接的相对不稳定性，焊接变形必然存在。因此，在 工艺编制时综合考虑现场情况， 及时制定合理对策， 防止因考虑 不当导致生产质量问题。对于焊接参数选用，结合设计要求，根 据结构、材料特点进行合理规划，使焊接过程更合理有效。相关 学者研究， 在生产过程中， 焊接起弧点和收弧点会产生瞬间变形及瞬态热应力， 而产生变形及热应力的原因是多方面的， 包括焊 接手法、环境温湿度、工件的预热方式、焊接顺序等。相关变形 及热应力的产生会给实际的生产带来一定的质量隐患，由于焊 接应力的产生， 关键受力点可能会出现开裂、撕裂、断裂的风险， 无论是对于企业还是个人，损失都是巨大的。因此，在工程机械 实际生产过程中， 控制焊接过程中的结构件变形是非常重要的。
1 产生焊接变形的原因及变形的影响
1.1 产生变形的原因
由于焊接的特点决定了焊接过程中产生大量的热量，而热 影响的又是非常的复杂的。工艺人员在焊接工艺的编制过程中 如果不能有效的考虑热影响因素，就可能导致实际生产过程中， 结构件整体受热影响较大，从而影响整个结构件整体内部应力 分布不均匀，导致结构件整体尺寸与图纸要求不一致，变形严 重，产生返修甚至工件报废，增加生产成本。合理的焊接工艺编 制可提高焊接质量及焊接效率，有效的减少焊接产生的变形量， 如在工艺编制时，设备选择、焊接电流 / 电压 / 气流量设定、工 装夹具等都可能对焊接作业过程产生较大影响，这就对工艺设 计人员的业务能力提出了较高要求，不仅要求工艺人员应熟悉 作业现场各类设备、工装夹具等， 还对工艺人员的理论知识水平 提出了较高的要求。
由于焊接作业有一定的作业顺序，因此，生产过程对结构件 来说是一个局部加热的过程，结构件受热影响不均匀会使结构 件内部产生残余应力，外部表现出焊接变形 ;同时结构件焊接 作业过程中瞬间接收大量的热，热量的快速传递使得结构件的 焊接过程具有时变性和非稳定性 ;由于焊接热源随焊枪的移动 而改变，因此，热源随焊接顺序产生变化，也进一步加大了热源 的不稳定特性。
当产品结构设计存在问题时，也可能导致生产过程中的结 构变形问题。主要设计结构不合理，比如焊缝密集，焊缝设计过 大，焊缝位置布局不符合理论要求等。由于吊装方式不合理，外 力作用下也是产生变形的主要原因之一。外力因素导致的变形 属于人为因素， 由于结构件一般较大， 缺乏合适的吊具以及合适 的翻转工具导致出现磕碰、划伤、变形等。在实际作业过程中， 工件的翻转方式也需要进一步考虑，尽可能的规避因人为因素 而导致的变形情况出现。
1.2 变形的影响
当一个结构件处于静止状态时，在没有任何作用力的情况 下，对于其来说内部应力是处于一个平衡状态。对于结构件进行 焊接作业，热源会使结构件受热膨胀，当其冷却时，又会受冷收 缩。温差变化使得其产生一定的变形， 这种变形产生的主要原因 就是由于结构件热应力分布不一致导致的。受热影响结构件会 产生一定的残余应力， 若不处理， 残余应力过多会产生一定的质 量问题。
结构件在静载荷作用下，若纵向拉伸残余应力较大，此时如 果继续增大载荷， 会导致应力累加， 超过材料屈服强度引起工件 变形，若继续增大外力，会产生不可逆破坏。若载荷与内应力方 向一致，会减小结构件刚度，若超过其负荷值，其变形过程不可 逆。若残余应力在结构件内均匀分布，焊接截面会同时存在拉 / 压应力， 从而会降低结构件整体承载能力。
2 变形控制技术方案
2.1 点焊定位
在关键部位确定点焊位置，增加点固约束可有效降低焊接 部位收缩应力及焊接热变形，以此来降低焊接热效应对整体结 构变形的影响。有效确定点固位置，一般对集中约束点首先进 行点固，再对较散的约束点进行点固，依据约束情况进行点固， 能较好的保证约束点结构的自由收缩，降低结构件整体的焊接 变形。
2.2 焊缝连续
在结构件焊接作业过程中，对各类焊缝的焊接应保持焊缝 焊接的连续性， 非必要不能随意中断焊接， 在不可避免的状态下 中断作业时， 有必要对生产工件进行相应的处理， 以此来尽可能 的降低该位置开裂的风险。当焊接因不可抗拒因素中断时， 当继 续作业前应对焊接表面进行清洁处理且保证焊接接口处不存在 任何焊接缺陷， 后续焊接作业按相同工艺要求继续作业。
2.3 预热
对于具有特殊要求的材料焊接，需要采用预热、保温等工艺 手段处理，根据相关工艺参数要求，对工件受力较大的主要焊 缝及相关的定位焊缝在焊接作业前需要对焊接部位进行焊接预 热，同时在整个焊接作业过程中应保持环境及工件焊接部位温 度的一致性。对于定位焊缝处的温度应该比主焊缝处的预热温 度高出20℃~ 30℃。预热方式一般采用加热板对工件进行均匀 加热， 保温方式一般采用保温棉进行保温。
2.4 刚性固定
材料的刚性也是影响焊接变形的主要因素之一，合理的选 择结构材料可以有效的降低生产成本及减小结构件变形。一般 来说， 焊后变形量与材料的刚性成正比例关系， 整体结构材料刚 性越大， 结构件焊后变形量一般会越小。对于整体结构较小的工程机械结构件来说，在组对过程中，通常采用各类专用夹具、专 用工装、在合适位置增加拉筋等， 通过提高组对过程中的刚性来 尽可能的减小焊后变形。对于拉筋形式的刚性固定方式， 通常在 焊接完成后待工件完全冷却后在去除拉筋以达到减小变形的目 的。在实际生产过程中， 在组对工序一般选择合理的位置对结构 件进行点固， 对某一影响较大的位置点固完成后， 采用锤击法来 消除工件残余内部应力以减小组对过程中的变形量，提高组对 焊接精度。
2.5 焊后收缩余量控制
根据焊接收缩理论及相关实际生产积累经验，对生产过程 中的所需组对工件进行工艺尺寸设计，在下料工序考虑焊后变 形量及预留焊后加工量， 以达到设计图纸加工要求， 尽可能的控 制焊接完成后达到设计图纸要求， 减少焊后校形工序， 降低生产 成本。一般来说，为保证焊后尺寸满足加工要求，需要在工件收 缩方向预留收缩量，通常加大组对尺寸，或增加板材工艺尺寸。 由于结构件结构形状的复杂性，预留收缩量难以通过理论计算 精准获得，这就要求在生产过程中，及时积累生产经验，对生产 产品进行采样，实际与理论相结合来最终确定某一产品的组对 工艺尺寸。对于合理的收缩尺寸， 可有效的降低焊后变形及减少 不必要的加工工序， 是行之有效的降本增效方式之一。
2.6 组对精度提高
提高焊前件的组对精度，保证组对工件的平面度，保证组对 间隙尺寸及组对间隙的均匀性可减少焊接填充量及提高焊接质 量。若来料尺寸超差较大，会导致组对工序组对缝隙较大，在后 续焊接过程中输入的线能量会增多，从而引起较大的焊接热变 形。控制组对工序过程中的组对精度， 可有效降低因线能量过大 产生的热变形。
2.7 合理板材的工艺设计
提前考虑组对过程中可能出现的各类问题点，针对下料工 序，根据设计图纸来进行工艺尺寸的确定， 由于在组对过程中可 能出现各类干涉问题点，这就需要工艺设计人员提前考虑问题， 针对组对过程中出现的干涉问题点一般采取火焰切割，由于切 割过程中会产生大量的热，集中的热量传递会导致工件的变形。 同时，手持火焰的切割精度差，会破坏零件尺寸，处理干涉问题 点不仅会降低零件组对精度， 还会增加焊接量， 导致线能量传递 不均匀， 大幅度增加焊接变形。针对来料板材的工艺尺寸设计显 得尤为重要， 这也是降低生产成本， 提高产品质量的重要一环。
3 结构件变形控制
3.1 焊接方式选择
在工程机械结构件实际的焊接生产过程中，选择合适的焊 接方式方法是十分有必要的，合适的焊接方式不仅可以减少整 体结构的变形量， 还能够有效的降低生产成本。根据实际作业情况，尽可能的选择合适焊接参数， 当焊接过程中采用线能量较低 时的操作方式，通过该手段能够大幅度的较小焊接区域的塑性 压缩区， 塑性压缩区较小可有效降低结构件的焊接变形量。目前 企业焊接方式多采用二氧化碳气体保护焊、富氩焊、无极氩弧焊 等焊接方式， 基于上述三种焊接方式， 针对实际工况选择合适的 焊接作业工艺来实现作业要求，可通过以上方式有效的减小焊 接变形量。
3.2 变形控制
线能量与焊接变形量之间的关系成正比例关系，焊接线能 量越大，焊接变形越大，若想有效的控制焊接变形量，线能量的 控制应放到首位。导致线能量增大的因素有很多， 其中包含焊缝 蛇形、焊角不达标等。因此，在焊接过程中应着重注意对焊角及 焊缝的横向收缩控制。实际焊接作业， 结构件的焊缝结构主要包 含类型为横 / 纵向焊缝，因此在作业时，关注点主要放在控制焊 缝交叉处接头的蛇形及角变形控制。相关研究表明， 当线能量为 某一固定值时， 板材厚度与变形量之间的关系成反比例关系， 即 板材越厚变形量越小。但实际生产作业过程中， 要保证底部焊缝 完全融合， 一般采用的线能量较大， 这样就会导致线条金属熔敷 量增大，相应的焊接变形量也增大。对于较厚板材，在焊接作业 完成后， 多数情况下会存在局部探伤检验不合格， 对于存在的内 部焊接缺陷需做返工处理， 由于板材较厚， 很难一次性将板材融 合，在制作焊接工艺时，应充分的考虑板材规格，进行合理的工 艺设计。这就需要在下料工序， 充分的考虑板材焊接坡口与根部 间隙间的影响，在铣坡口工序，应保证设备精度及平面度要求， 保证所接收的物料处于合格状态。
在考虑减小焊接变形时，可在工艺编制时，在各结构间采取 反变形措施， 对结构可自由收缩性进行判断， 尽可能采取相应反 变形措施来抵消线能量带来的热变形。根据反变形原理， 采取反 变形措施来降低变形量，通常焊接作业顺序选择对纵向焊缝内 侧进行焊接， 再对其他部位结构进行拼装。
3.3 减小变形
在采取各类防变形措施后，仍有一些变形难以控制，可以通 过其他方法对结构件进行矫正，以减小焊接产生的残余应力变 形。大量的理论研究和实践证实， 火焰矫正和机械加压矫正是最 有效的矫正方法。火焰矫正的原理是使用可燃气体(如乙炔) 对 变形部位加热， 使工件产生局部压缩引起塑性变形， 在工件冷却 静置后可减小因焊接线能造成的变形。对于各种低碳钢结构件， 在校形时通常采用火焰矫正方法，但该方法不适用于不锈钢等 淬硬性较高的钢材，校形过程可配合压力机等设备来提高效率 和精度。在实际操作中，应综合考虑结构件特点和变形位置，并根据现场实际情况选择局部加热、长线加热或三角形区域加热 等方法。具体的加热时间和面积应根据加热部位结构特点和板 材厚度来决定。同时，火焰校正对操作者的技能水平要求较高， 需要具有较高的操作经验， 以便合理控制温度。如果温度低于要 求的适宜温度，则无法达到矫正效果 ;如果温度高于要求的适 宜温度， 则会导致加热区域硬度下降， 严重的话会导致整体结构 强度下降。这对操作者的技能水平提出了较高的要求， 要求操作 者熟悉所生产产品的结构， 并了解产品变形规律， 能够准确确定 需要火焰加热的位置和面积。与机械矫正相比， 火焰矫正的效率 较低， 但应用范围广且更为灵活。
对于机械加压校形，校形原理一般采用外部机械压力施加 于工件，使所焊接变形件通过外部压力产生与焊接热变形方向 相反的塑形变形， 以此达到减小焊后变形量。机械校形一般采用 压力机、专用校形液压工装、锤击法等手段，该方式适合板状结 构、条状结构，当结构的刚性较小时，校形效果较好。对于推土 机行走结构部分台车的焊后校型一般采用压力机，采用压力机 校型适合批量校形， 校形效率高， 压力机校形设备对操作者生产 经验有一定的要求， 压力机校形存在一定的安全风险， 若在生产 的过程中， 操作不规范容易产生工件弹起伤人事件， 危及人身安 全，对于工件本身， 若操作不规范还有可能导致工件本身出现校 形压痕、焊接区域焊缝出现裂纹， 产生质量缺陷。
因此，合理的选择焊后校形手段来达到减小变形的目的，使 生产的工件达到设计图纸要求， 可提高生产现场的作业效率， 并 可降低相应的制造成本，避免应产品焊接变形造成的不必要返 修问题。
4 结语
结合本文论述，在工程机械等结构件焊接作业领域，影响结 构件变形的因素是多样的，焊接作业过程中产生的变形也是多 种要素综合作用的结果。因此，在实际生产作业过程中，依据现 场作业状况， 制定行之有效的作业策略， 督促焊接规范操作及设 计合理的工艺路线可大幅度减小工程机械结构件变形。同时， 作 业人员应依据现场实际情况， 不断调整相应的作业习惯， 积极寻 找合适的作业手法，在实践中敢于质疑，提出工艺改善意见，同 工艺人员一同对现有生产工艺进行改进和完善，努力促使重型 装备结构件制造工艺水平更上一层楼，为企业的发展与降本增 效工作作出自己的贡献，并进一步促进我国机械装备制造业的 发展。
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