传动架杆件焊接变形控制

王晓凯

摘要：传动架是吊笼的主要部件，由多种管材及板材焊接而成，是较为复杂的三维空间结构。传动架作为吊笼的骨架，将发动机、传动系统、悬挂装置、转向装置有机连接，构成一个整体。传动架不仅要承载驾驶员、发动机及其它部件，在运动中还会受到各种冲击与振动。因此，传动架制造过程如何控制应力和变形以保证其强度和静、动刚度是传动架焊接的重要环节。本文综述了焊接在吊笼加工中的地位和作用，明确了传动架制造技术及焊接在其中的重要地位，指出了本文的研究内容和意义；论述了焊接变形的机理和产生原因，从理论上为分析传动架焊接变形的产生原因奠定了基础；阐述了焊接残余应力的消除、焊接变形的预防和控制对策。

关键词：变形；应力；传动架

1.焊接变形的机理与产生原因分析

产生焊接应力与变形的根本原因是焊接过程的不均匀温度场以及由它引起局部塑性变形和比容不同的组织。当焊接温度场消失后，尚存在焊接残余应力与变形。焊接残余应力会降低焊件的强度、刚度以及焊接杆件整体的稳定性，影响焊接尺寸精度与尺寸稳定性，也可能导致应力腐蚀开裂；而焊接残余变形则直接影响焊件的性能与使用。由于焊接应力与变形对焊接构件的影响极其大，为此，人们一直致力于对焊接应力与变形的研究，采用了数学模型、有限元、相似理论、人工神经网络等方法，意图通过预测焊接应力与变形达到控制焊接应力，减小焊接变形。

2.焊接残余应力的预防和消除

焊接应力是由于焊接后收缩受到制约造成的，制约越严重，内应力就越大。因此，控制内应力的方法虽然很多种，但其基本原理只有一个，就是缓和对焊缝收缩的制约。为了消除和减小焊接残余应力，作为预防措施，首先应采取合理的焊接顺序，主要是应该让焊缝能比较自由地收缩，先焊接收缩量大的焊缝。其次，焊接时适当降低焊件的刚度，并在焊件的适当部位局部加热，也就是预热法。焊接温差越大，残余应力越大。同时从组织转变来说，冷却越快组织应力也越大。预热可以达到减小温差和减慢冷却速度的目的，使焊缝能比较自由地收缩，以减小残余应力。预热温度应从严控制，不应低于工艺要求。

而在应力已经产生后，消除焊接应力的方法有热处理法、机械法和振动法。

热处理(高温回火)是消除焊接残余应力的常用方法。就是焊接后进行退火处理。焊接件是否需要热处理应考虑钢板的化学成分、钢板厚度、结构刚性和使用条件等方面。消除应力退火分为整体退火和局部退火。整体退火消除焊接应力的效果最好，一般可以将80~90%以上的残余应力消除掉。整体消除应力的热处理效果一般比局部热处理好。局部退火虽然不能完全消除焊接应力，但可以降低残余内应力的峰值，使应力分布比较平缓，起到部分消除应力的作用。整体退火用的退火炉可以是燃油炉、燃煤炉和煤气炉。局部退火的热源可用氧.乙炔焰、煤气、焦炭炉、油喷嘴、远红外线或工频感应加热。

焊接残余应力也可采用机械拉伸法（预载法）来消除或调整。热处理法对消除应力有效，但对消除变形无能为力，有时甚至相反，热处理不当时还产生新的变形。而机械法在消除应力的同时还能消除变形。我们通常使用各种刚性夹具或压马来固定和夹紧焊接工件，当焊接后冷却时，这紧固工具将阻碍有效区的收缩，这阻力就像外力一样使有效区产生塑性拉伸，从而部分地减轻了焊接应力和变形。有时也将工件点焊在刚性框架或平台上焊接。

振动法就是通过低频振动来消除应力。利用偏心轮和变速电动机组成的激振器使焊接结构发生共振产生循环应力，可使焊接残余应力逐渐降低，这种方法称为振动法。爆炸法则是通过布置在焊缝及其附近的炸药带，引爆产生的冲击波与焊接残余应力的交互作用，使金属产生适量的塑性变形，从而降低残余应力的方法称为爆炸法。

3.传动架的焊接变形及控制

传动架多数采用复杂管、板式焊接结构，是吊笼的支撑骨架，在整笼中既要满足众多零件安装的要求，又要保证吊笼行驶平稳，因此对传动架的结构尺寸和形状精度要求较高。传动架焊接后往往会出现变形，不但直接影响整笼装配及整笼性能，还可能降低车架结构的承载能力引发事故，因此制造中限制和消除焊接变形非常重要。控制传动架的焊接变形主要从设计和工艺两个方面解决，下面探讨如何控制传动架焊接变形的措施。

3.1合理的焊缝尺寸和形式

焊缝尺寸直接关系到车架的焊接工作量和焊接变形大小，焊缝尺寸大，焊接工作量大，焊接变形也大。因此，在保证车架承载能力的情况下，应尽量减小焊缝尺寸，但并不是说焊缝尺寸越小越好，焊缝尺寸太小，冷却速度快，容易产生裂纹、热影响区硬度过高等焊接缺陷；应在保证焊接质量的前提下，按板厚(管壁厚)来选取工艺上允许的最小焊缝尺寸。

3.2 合理的焊缝数目

在传动架结构中力求焊缝数量合理，焊缝不宜过分集中，尽量避免2条或3 条焊缝垂直交叉。有时为了减小传动架质量，采用壁厚较薄的钢管加筋板来焊接传动架，以提高传动架的稳定性和刚性，其实这样既增加了构件和焊接的工作量，还因焊接变形大增加校正工时。因此，适当增加管壁厚或管径，减少筋板，传动架质量稍大一些也是比较经济的。另外，合理选择筋板形状，适当安排筋板位置，也可以减少焊缝达到提高筋板加固的效果。

3.3 合理的焊缝位置

设计传动架时，尽可能将焊缝对称于截面中性轴，这样能使焊缝引起的挠曲变形互相抵消；或者使焊缝接近断面中性轴，以减少焊缝引起的挠曲。

4.结论和展望

传动架是一辆吊笼的关键部件，传动架不仅要承载驾驶员、发动机及其它部件，在行驶中还会受到各种冲击与振动。焊接是现代工业生产和科学技术发展中的关键技术之一，在工业生产制造中具有举足轻重的地位，本文论述了焊接变形的机理和产生原因，从理论上为分析传动架焊接变形的产生原因奠定了基础；阐述了焊接残余应力的消除、焊接变形的预防和控制对策。我们还可以进一步优化焊接夹具。通过有限元等很多新方法来模拟研究焊接过程中产生的应力和其导致的变形，从而更加精确地调整夹具的一些细部结构。

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