长条形箱体结构变形问题分析与研究

武红斌，吴香清

（中联重科股份有限公司，湖南长沙 410205）

长条形箱型结构变形一直是结构件生产中的难点，其返工率较高，不仅给生产带来了极大的困扰和额外的工作量，而且严重影响了产品的使用性能，比如容易造成箱体构件上轴套孔单边严重，受力不均，影响零件互换性，降低母材强度，造成后续焊缝开裂等[1-2]。

为减少生产中返工率高带来的各种非增值劳动，提高生产效率，有必要对该种结构的生产质量进行控制、改善。本文通过对长条形箱体结构变形的原因进行了分析，并提出相应的预防措施和解决方案。

1 变形问题分析

1.1 箱体长度误差超出工艺允许范围

1.1.1 立板拼焊误差

一方面，板材下料尺寸与下料图尺寸不一致，需在结构件制作时修割立板，而修割时采用的是火焰切割，对接处的坡口钝边会被切割掉，而切割后的斜边与实际斜边不平行，导致铆焊时难以控制板与板之间的间隙。

另一方面，铆焊时立板总长控制一定，但板与板之间间隙（1～3 mm）的差异，导致焊接后收缩量不同而产生长度变化。

1.1.2 组箱拼焊的工序问题

结构类型相同的箱体，当工序一定时，弯曲变形规律是相同的。对于常规箱体，正常焊接顺序（先自动焊，后首尾焊）时，箱体变形趋势往如图1中1所示方向，可导致总长变短。当生产任务较大时，部分箱体是按非正常工序，即先首尾焊，后自动焊。当首尾焊接完毕后，箱体中间部分4条主焊缝焊接时不能自由收缩，不仅变形量不一样，而且变形方向也没有规律：可能是按图1中1所示方向变形，也可能按图1中2所示方向变形（此变化会使箱体总长变长）

图1 长条形箱体结构焊接变形示意图

1.2 箱体中线、立板垂直度超出工艺允许范围

1.2.1 左右立板不对称易引起箱体扭曲

箱体立板长宽比较大，下料时立板的旁弯量较大（其中有的旁弯量超过5 mm的概率高达10%以上）。理论上左右立板是对称的，但若左立板是往上面板方向旁弯，而右立板是往下面板方向旁弯(反之亦然)，如果不经过修磨或其他处理就组箱，将会造成箱体在Z轴方向（箱体高度方向）的扭曲变形，因为组箱是以下面板为定位基准。

1.2.2 下面板旁弯+箱体结构设计紧凑引起的弯曲

（1）根部面板下料时中心线偏移，如图2所示。完全对称的零件，下料后，会出现 A1≠A2，B1≠B2 且 C1≠C2的情况。

（2）根部面板（如图3所示）折弯时，模具与零件理论折弯线不完全重合，且折弯后有一定的回弹，结果导致折弯后的零件弯曲部分存一定扭曲。

图2 根部面板尺寸示意

（3）部分面板较长（如部分面板长度超过了10米），下料时存在较大的旁弯。

图3 根部面板折弯示意图

（4）组箱体时，由于工人技能水平各异，面板局部存在扭曲、旁弯，加之箱体结构设计较为紧凑：大部分产品的立板外侧到面板边缘的距离仅为10 mm，而对应的角焊焊脚≥7 mm，当面板不旁弯（即箱体中线不偏移）时，左、右立板理论对称中心与下面板焊件实际对称中心重合，如图4（a）所示；当面板旁弯时，为了保证箱体不弯曲变形，必须保证组箱时左、右立板以箱体中线两侧分中，当下面板局部范围内旁弯量超过5 mm时，就会出现图4（b）所示的情况：由于一侧焊角不够（≤5 mm），已不能保证焊接强度要求。

1.2.3 端部上、下面板相对箱体中线往相反方向偏移

组箱后，端部上、下面板出现错位，上面板往箱体中线一侧偏移，而下面板往箱体中线另一侧偏移，当两者偏移之和较大时，最终只能打磨面板边缘，严重时，需刨除端部立板与面板的焊缝，重新进行焊接，严重影响板材质量。

1.2.4 机加工与结构件制作的基准不一致

由于箱体立板内侧与下面板间是间断焊，组箱时为了保证左、右立板与下面板的垂直度，只能以下面板为基准，但将误差累积在上面板上，而机加工以上面板为基准，最终将导致校正上面板后，不能保证立板的垂直度。

图4 立板与盖板的装配示意图

2 预防措施及效果分析

2.1 模型分析及建立

表1为影响箱体返工的因素及对应的分析。

为了分析表1中的影响因素对箱体返工率的影响，可引用来进行分析。

表1 长条形箱体结构变形影响因素分析

由于k2、c为常数，而K1（箱体质量及标准要求）、a（工人熟练程度及操作水平）及X1（箱体产量）是比较客观的因素；因此，为了提高箱体质量，最有效的方式就是从b（提前采取的预防措施）和X2（工人的责任心、品质对箱体质量的要求和把关程度）两方面来进行改善。

2.2 预防措施

针对上述问题，表2列出了相应问题的预防措施。

2.3 效果分析

图5分别为不同时间段对应的返工率及月产量。

表2 长条形箱体结构变形问题预防措施

图5 不同时间段对应的返工率及箱体产量

通过抽检2011年月份的生产数据，从图5中可以看出两个重要的拐点，一个出现在11年10月份，一个出现在12年2月份。

（1）从2011年10月开始，随着箱体的质量提升项目的开展，返工率迅速增大，但提出了相应预防措施，同时将结构吊线过程控制纳入日常质检、抽检作业范畴；随着时间的推移，工人技术水平逐步得到了提高，质量也得到改善，当产量在一定范围内增大时，返工率并没有增加，反而有所下降，说明改善效果较明显。

（2）2012年2月开始，在生产场地和工人数量一定的前提下，生产量提高了50%以上，在巨大的生产压力下，工人不再进行吊线和其他检测，品质检测力度也相应的下降，这使得返工率又有所上升，但较2011年10月之前还是有所改善的。

（3）为了降低返工率，必须在生产场地、人员配置等与产量相匹配，同时，必须加大质检力度。

3 结论及展望

3.1 结论

（1）通过一系列预防的提出，箱体质量得到了较好的控制，到2011年12月止，箱体的返工率已从23%降低到了8%以下；

（2）要真正能控制好产品质量，降低返工率，必须保证生产场地、人员配置及品质检测力度与生产量相匹配。

3.2 展望

（1）车间实行责任制；

（2）品质加大检测力度；

（3）工艺应运用好PFMEA（过程失效模式影响与分析）工具，在产品试制之前进行失效分析，并提出相应的预防措施，同时在焊接和装配过程中尽量采用工装，减少人为因素的影响；

（4）设计进行结构优化。

［1］付荣柏.焊接变形的控制与矫正［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［2］陈祝年.焊接工程师手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.