CN111014994A - 一种高精度控制焊接变形的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度控制焊接变形的工艺方法，该方法体现在对焊接结构中形位公差的有效控制上，包括准备阶段、定位阶段和焊接阶段。准备阶段完成耳轴块组合和扇形块各自的加工装配以及焊缝坡口的加工；定位阶段找正耳轴位置，然后设置标记装置，便于在焊接阶段对耳轴的偏移情况进行检测；焊接阶段采用对称、同步的方式进行焊接，并通过标记和千分表监测变形情况，实时调整焊接参数。本发明改变了常规工艺，先完成两个耳轴部分的精加工后再装配组焊，通过采用高精度的检测控制方法、合理的焊接顺序以及灵活的控制手段，使得焊接应力处于相对较低且呈对称平衡的状态，从而达到控制接变形、保证工件精度的目的。

Description

一种高精度控制焊接变形的工艺方法

技术领域

本发明涉及一种焊接方法技术领域，具体涉及一种高精度控制焊接变形的工艺方法。

背景技术

托圈是炼钢过程中用来承托钢包、绕耳轴旋转、来实现倾倒钢液完成炼钢作业的重要部件。托圈的构成主要包括由两件耳轴块和两件扇形块连接在一起构成的环状主体，两件耳轴块组合和两件扇形块间隔设置，托圈还包括两件分别安装在两件耳轴块上的耳轴。

耳轴是用来装配轴承、实现绕轴旋转的支撑件。如果不能保证两个耳轴的同轴度要求，在托圈支撑钢包和钢液满负荷大重量的工况下，很容易造成设备的损坏甚至引发事故。

通常保证焊接构件的加工精度的工艺措施是在构件焊接完成后进行焊后热处理，消应后进行机加工达到精度要求。但是托圈尺寸非常大，直径一般为7米以上，扇形块102的箱体高度达为2米以上，箱体上下盖板的厚度达100mm以上，箱体内外侧的圆弧侧板厚度达60mm以上，总重量一般在40吨以上，如此巨大的体积和重量，常见的机床都无法对耳轴完成一次性加工来保证同轴度的要求。如果两个耳轴分别加工，则难以保证耳轴的同轴度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种高精度控制焊接变形的工艺方法，其目的是：在焊接加工过程中对形位公差进行有效控制，实现构件焊后的低应力状态，确保满足耳轴同轴度等精度要求。

本发明的技术方案如下：

一种高精度控制焊接变形的工艺方法，用于焊接托圈，所述托圈包括两件相对设置的耳轴块组合和两件相对设置的扇形块，耳轴块组合和扇形块间隔设置，耳轴块组合与两端所相邻的扇形块之间待通过焊接方式相连接以构成托圈的环形主体，所述耳轴块组合是由耳轴块与耳轴组对焊接后机加工而成；所述耳轴上设有中心孔；焊接方法的特征在于包括以下步骤：

（A）准备阶段：

准备平台，在平台上按托圈的设计尺寸以一比一的比例放地样；

完成耳轴块组合和扇形块各自箱体的组对焊接以及耳轴的精加工，并完成耳轴块组合与扇形块之间四组箱型对接接头的坡口加工；

（B）定位阶段：

在平台上固定有耳轴支撑座，将耳轴块组合放置在耳轴支撑座上，并以地样为基准，找正耳轴块组合的位置；然后在两组耳轴块组合上分别安装标记装置，并在平台上设置标记检测装置；并将耳轴块组合固定在耳轴支撑座上，将扇形块放置在平台上的弹性支撑部件上；

（C）焊接阶段：

对两组耳轴块组合和两组扇形块之间形成的四组箱型对接接头进行同步、对称施焊，焊接过程中使用标记检测装置实时监测标记装置的位置，判断耳轴块组合是否发生偏移，根据偏移方向实时调整焊接参数。

作为本方法的进一步改进：耳轴块组合与扇形块的型箱结构均包括上下两个盖板和内外两个侧板；耳轴块的盖板伸出于内外侧板，扇形块的内外侧板伸出于盖板，对于每组箱型对接接头：耳轴块的内外侧板与扇形块的内外侧板构成内外两条侧板对接焊缝，耳轴块的上下盖板与扇形块的上下盖板分别构成上下两条盖板对接焊缝，耳轴块的上下盖板与扇形块的内外侧板构成四条盖板侧板焊缝，上方内侧和外侧各一条盖板侧板焊缝，下方内侧和外侧各一条盖板侧板焊缝；

所述侧板对接焊缝和盖板侧板焊缝采用非对称的坡口形式，设位于箱体外侧的坡口深度为H，则位于箱体内侧的坡口深度为H+14mm，钝边为2mm。

作为本方法的进一步改进：侧板对接焊缝的坡口根部间隙小于盖板对接焊缝的坡口根部间隙；在焊接阶段，先焊接侧板对接焊缝，再焊接盖板侧板焊缝，最后焊接盖板对接焊缝。

作为本方法的进一步改进：焊接侧板对接焊缝和、或盖板对接焊缝时，先同步、对称焊接位于箱体内侧的坡口，然后停止内侧的焊接，对箱体外侧部分进行清根，然后开始外侧的焊接，再开始在箱体内外侧同时焊接。

作为本方法的进一步改进：对箱体外侧部分进行清根，直至箱体内侧坡口的待填充量为外侧的80%-120%，再开始外侧坡口的焊接；当外侧焊接至外侧剩余的坡口深度为内侧的80%-120%时，再开始在箱体内外侧坡口同时焊接。

作为本方法的进一步改进：对侧板对接焊缝和盖板对接焊缝的内侧以及外侧的焊接均采用分层分段的焊接方式，并且相互对称的焊缝要同步施焊；所述分层分段的焊接方式是指：分层焊接且每一层内分段焊接，对于每一层，先对称跨越侧板或盖板宽度中线焊接第一段，再上下交替延长施焊其它焊接段，直至完成该焊层的焊接，再开始焊接下一层。

作为本方法的进一步改进：在准备阶段，耳轴精加工完成之后，在耳轴的两个端面上划出耳轴外圆面的水平中心线和竖直中心线；

所述标记装置包括四组工艺法兰和孔板；

耳轴的中心孔的内端和外端分别对应一个工艺法兰，每个工艺法兰分别对应一个孔板；

所述工艺法兰安装在对应的耳轴的端部，且其中心设有通孔，使用丝线依次穿过四个孔板后拉直；依据耳轴端面上的水平中心线和竖直中心线找正丝线的位置，使丝线与耳轴轴线相重合，然后固定好丝线；以孔板保持自然下垂的状态将孔板固定到对应的工艺法兰上；

所述孔板中心孔的直径小于耳轴同轴度要求的精度值；

所述标记检测装置包括光线发射装置和感光装置；在孔板固定好之后、焊接阶段开始前，将所述丝线拆下；光线发射装置所发出的光线依次穿过四个孔板的中心孔照射到感光装置上；感光装置还连接有报警装置，当感光装置无法感应到光线时，发出警报。

作为本方法的进一步改进：焊接阶段中，根据耳轴的偏移方向对焊接参数进行实时调整；如果某耳轴朝向某一侧发生偏移，则调整该耳轴所在的耳轴块组合两侧的焊缝的焊接参数，使与偏移方向同侧的焊缝的焊接停止或焊接填充速度慢于对侧的焊缝的焊接填充速度。

作为本方法的进一步改进：焊接开始前，在每个耳轴外端圆柱面上分别设置两个千分表，所述千分表相对于平台固定设置；一个千分表的测量杆与耳轴外圆柱面的12点位置或6点位置垂直接触，另一个千分表的测量杆与耳轴外圆柱面的9点位置或3点位置垂直接触；焊接时，观察各千分表的表针，根据表针的动作情况判断耳轴当前的偏移情况；

在扇形块的中部弧顶处的下方放置位移检测装置，检测扇形块在竖直方向的偏移情况。

作为本方法的进一步改进：在定位阶段，将位置已经固定的物体作为支撑物，将等待被固定在支撑物上的物体作为目标物，使用若干固定块将目标物与支撑物进行连接固定；所述固定块相对于所对应的耳轴的轴线对称分布；

所述固定块与目标物及支撑物分别通过焊接的方式相连接：先将固定块与目标物焊接到一起，再将固定块与支撑物焊接到一起；焊接时由多人同时施焊，并且相对于耳轴的轴线对称操作；固定块与目标物及支撑物分别相接触的两个侧面均进行机加工。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：（1）本发明颠倒了常规的工艺顺序，先完成两个耳轴部分的精加工后，再进行装配组焊，通过采用高精度的检测控制方法以及合理的装配焊接工艺，使得焊接应力处于相对较低且呈对称平衡状态，从而达到控制焊接变形、保证两耳轴的同轴度精度要求的目的；（2）克服了托圈焊接完成后，两耳轴无法一次性机械加工的难题；（3）组焊前先以平台及其地样为基准确定好耳轴块组合的位置，确保焊接前两个耳轴的同轴度，然后借助工艺法兰、孔板和铁丝来标记耳轴的位置，抽掉铁丝后，使用红外线依次穿过四个孔板的中心孔，来检测焊接过程中耳轴是否出现移动，实现了大尺寸工件焊接过程中的精确检测和警报，及时提醒，方便可靠，易行高效；（4）尺寸较大的工艺法兰与轻质的孔板相结合，工艺法兰作为过渡连接件，孔板找正位置后通过粘合方式安装在工艺法兰上，从而避免了孔板影响铁丝的直线度，提高了找正的精度，保证孔板的中心孔在一条直线上；（5）采用焊接固定块的方式实现耳轴块组合与耳轴支撑座之间、耳轴支撑座与平台之间的固定，降低焊接过程中耳轴出现移动的可能性，固定块体积小厚度大，刚度和强度较好，且固定块侧面与连接件表面接触良好，这些条件既让焊缝起到紧固连接的作用，又让固定块起到刚性支撑的作用，使得被固定块连接的两个工件在焊接时变形极小，有效确保了所需要的装配精度；（6）盖板对接焊缝的间隙大于侧板对接焊缝的间隙，焊接时先焊接侧板对接焊缝，通过盖板对接焊缝的间隙确保侧板对接焊缝的自由收缩，有效释放焊接应力，为保证同轴度奠定基础；（7）前期的组对固定过程，中期的施焊填充过程，还有完成后的拆卸过程，均采用对称、同步的操作方式，使得焊接应力的产生和释放都是对称的，变形相互抵消，有助于满足精度要求；（8）采用千分表来检测焊接过程中耳轴的位置变化，测量精度高，使得纠偏明确而有度；（9）耳轴块组合采用可靠的刚性固定，扇形块则采用弹性支撑，二者刚柔相济，有效避免了因高拘束度造成的焊接接头处积累过大的焊接应力而使托圈拆卸后变形过大，致使最终同轴度难以保证；另一方面也同时满足了相对宽要求的平面度的要求，二者相辅相成；（10）采用激光位移传感器并配合报警喇叭或报警灯来检测焊接过程中的扇形块上下位移情况，使偏移方向和偏移量得以明示，也使针对性的纠偏措施适度而有效。

附图说明

图1为托圈的立体结构示意图，图中左端的耳轴块组合部分为爆炸状态，右端为焊接后状态。

图2为图1中A部分的局部放大图。

图3为图1中B部分的局部放大图。

图4为将两个耳轴块组合放置在耳轴支撑座上，安装好工艺法兰，通过拉紧铁丝将孔板粘固好时的示意图。

图5为图4中I部分的局部放大图，用于展现孔板的结构。

图6为焊接耳轴块组合与耳轴支撑座之间的固定块时，图4中C向俯视示意图，用于展现一端耳轴块组合部分的结构。

图7为焊接牛腿支撑两端的固定块时，一端耳轴块组合部分的侧视示意图。

图8为图7的俯视图，展示施焊牛腿支撑时的焊工分布。

图9为固定好耳轴块组合之后，将扇形块放置到底部支撑座以及弹性支撑座上，并由左至右照射红外光时的示意图。

图10为固定块焊接到阴角处的示意图。

图11为耳轴端部设置千分表的示意图。

图12为在扇形块下方设置激光位移传感器的示意图。

图13图12的俯视图。

图14为耳轴块组合与扇形块之间的对接焊缝坡口处的示意图。

图15为分层施焊的顺序示意图。

图16为扇形块一端的结构示意图。

图中主要部件的序号及名称：

101、耳轴块组合，101-1、耳轴，101-2、耳轴块，102、扇形块，101-2-10、盖板（注：耳轴块上的），101-2-20、侧板（注：耳轴块上的），102-10、盖板（注：扇形块上的），102-20、侧板（注：扇形块上的），201、侧板对接焊缝，202、盖板对接焊缝，203、盖板侧板焊缝，301、平台，302、耳轴支撑座，303、底部支撑座，304、弹性支撑座，305、工艺法兰，306、孔板，307、铁丝，308、支架，309、牛腿支撑，310、临时卡块，401、红外线发射器，402、红外光传感器，403、激光位移传感器，404、千分表，501、第一固定块，502、第二固定块，503、中心固定块，504、第三固定块，505、第四固定块，1000、第一焊工工位，2000、第二焊工工位，3000、光束，4000、宽度中线。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案：

首先介绍所制作的托圈：如图1至3，托圈最大直径Φ8.5m；扇形块102的箱体高度2m，箱体宽度0.6m，箱体上下盖板厚度100mm，圆弧状的侧板厚度60mm；耳轴精加工后的直径为Φ0.9m、长度1.8m；总重量达到50吨以上。耳轴同轴度要求≤Φ1mm，托圈平面度要求≤3mm。

实施步骤如下：

（A）准备阶段：

1.将耳轴块及扇形块102的上下盖板及侧板按工艺要求下料并预制成形。

2.分别完成扇形块102和耳轴块101-2各自的组对与焊接，扇形块102的上下盖板102-10以及内外侧板102-20的两端各自留80mm的余量。关于侧板的内外，定义如下：每个箱型中两个相对的侧板，靠近整个托圈轴线的侧板为内侧侧板，较远的为外侧侧板。

3.加工耳轴101-1和耳轴块101-2上的耳轴孔（此时耳轴101-1为粗加工，只加工与耳轴孔配合部分）并将二者组配焊接形成耳轴块组合101。

4.将焊接完成的两件扇形块102和两件耳轴块组合101分别进行焊后热处理。

5.精加工耳轴块组合101：精加工耳轴到图纸要求尺寸，并对精加工后的耳轴表面涂黄油并进行外物裹缚以进行保护；加工耳轴块组合101上的上、下盖板101-2-10及内外侧板101-2-20处的坡口。

6.耳轴块组合101与扇形块102各自的上下盖板及侧板之间的对接坡口采用非对称坡口；如图1至3及图16，耳轴块101-2的上下盖板101-2-10伸出于内外侧板101-2-20，扇形块102的内外侧板102-20伸出于上下盖板102-10，对于每个相接处，耳轴块101-2的内外侧板101-2-20与扇形块102的内外侧板102-20分别构成侧板对接焊缝201，耳轴块101-2的上下盖板101-2-10与扇形块102的上下盖板102-10分别构成盖板对接焊缝202，耳轴块101-2的上下盖板101-2-10与扇形块102的内外侧板102-20构成盖板侧板焊缝203；如图14和16，在箱体内侧：侧板的坡口深度为36mm，盖板的坡口深度为56mm；箱体外侧：侧板的坡口深度为22mm，盖板的坡口深度为42mm，钝边为2mm。箱体外侧的坡口深度比箱体内侧少14mm，目的是在箱体外侧对焊缝根部进行清根后，使箱体内、外侧的坡口深度基本相等，内、外侧的施焊填充量基本一致，内、外侧的应力分布均衡，相应产生的变形互相抵消，从而达到有效控制耳轴同轴精度的目的。所述箱体内侧，是指盖板与侧板所围成的腔体部分，而箱体外侧是指该腔体以外的部分。

7.平台301找平后，在平台301上按托圈的设计尺寸进行放地样，放样比例为一比一；所述地样是指：根据产品制作的需要，按1:1的尺寸比例在工作台面或现场地面上做出产品的投影图，包括产品轮廓线、关键部件的位置线及中心线等，是产品在空间组对时的参考基准。所述平台301的平面度要求≤1mm，且为铸钢材质。在平台上，用高度游标卡尺，在耳轴的端面上画出耳轴外圆面的水平中心线，再依据水平中心线作出耳轴外圆面的竖直中心线。水平中心线与竖直中心线的交点位于耳轴内孔轴线上。

8.按托圈地样对耳轴块组合101与扇形块102进行适配，确定扇形块102两端上下盖板及内外侧板的切割线、去除余料，确保扇形块102两端的内外侧板和上下盖板比理论尺寸长出1～2.5mm，以作为箱型对接接头焊接时的收缩余量。

9.通过与耳轴块组合101适配，修磨扇形块102的上下盖板及内外侧板的两端面，保证扇形块102与耳轴块组合101对接后，侧板对接焊缝201的坡口根部间隙为0～0.5mm，盖板对接焊缝202的坡口根部间隙为1～2.5mm，目的是使侧板对接焊缝201在施焊过程中有1～2.5mm的收缩余地，释放侧板对接焊缝201中的应力，为保证耳轴同轴度奠定基础。然后机加工扇形块102的上、下盖板及两侧板坡口。

（B）定位阶段：

10.如图4，准备两组耳轴支撑座302用于支撑耳轴块组合101，高度一致均为0.8m，高度是以方便焊工在托圈下方进行仰焊操作为标准确定的；根据耳轴块组合101的尺寸确定耳轴支撑座302长度为2.2m、宽度为1m，既不能过大而妨碍耳轴与地样的对正，又不能过小而影响步骤26中固定块的布置和连接。耳轴支撑座302上下两面要加工平整。

11.如图9、12和13，确定支撑扇形块102的支撑座的高度和数量：扇形块102通过由底部支撑座303和弹性支撑座304构成的弹性支撑部件来支撑，弹性支撑座304的数量视扇形块102的重量而定，且为同一型号，所用弹性支撑座304额定承载重量之和不能低于扇形块102的重量。每个扇形块102重量为20.3吨，可以配8个型号为CHPL8-400弹性支撑座304，其最大的额定承载量为2.7吨，总的额定承载重量为21.6吨。该弹性支撑座304额定承载条件下的高度范围是315～307mm，由此确定扇形块102的底部支撑座303的高度为0.8-0.315=0.485m，每个扇形块102配4个底部支撑座303，每个底部支撑座303上面再布置两个弹性支撑座304，弹性支撑座304的位置分布要相对于扇形块102中心对称；当弹性支撑座304的高度需要调整时，可以加不同厚度的垫块进行微调。

12.调整耳轴支撑座302至地样上耳轴块的位置，要相对于耳轴中心线对称并使耳轴能伸出耳轴支撑座302之外足够长，以便于耳轴与地样找正。

13.如图4，将耳轴支撑座302固定到平台301上，此时平台301是已经固定好的支撑物，耳轴支撑座302是待固定的目标物，分两步进行：

13-1.用10个第一固定块501分别焊固于耳轴支撑座302内外两侧6块、左右两侧4块，并对称于耳轴的轴线；先完成第一固定块501与耳轴支撑座302之间的连接焊接，再完成第一固定块501与平台301间的连接焊接，对称施焊；参考图10，固定块上两连接侧面之间形成的阴角的顶点处切掉R10的圆角，确保两连接侧面与被连接物表面紧密接触；

13-2.用200×200×10的方形空心型钢做支撑对耳轴支撑座302进行支撑加固，制作安装要求参见下文的步骤26。共6件支撑，耳轴支撑座302内外两侧各布置2件，耳轴支撑座302左右侧面各分布1件，均相对于耳轴的轴线对称分布。

14.如图13，用于支撑扇形块102的底部支撑座303沿扇形块102的形状走向布置，并相对于扇形块102的中间面对称，中间两个相距近一些，最终达到分配到各弹性支撑座304的重量基本均衡。底部支撑座303并不与平台301进行焊接固定。

15.将两耳轴块组合101分别置于两个耳轴支撑座302上，用铅垂线将耳轴轮廓与地样对正，确保耳轴的轴线在平台上的投影线与地样的中心线重合（保证左右方向）；同时以平台为基准，使用高度检测工具，调整两耳轴块组合使耳轴四个端面上的水平中心线高度一致（保证上下方向）；最终保证两耳轴的组对达到同轴度要求。

16.如图4和5，各耳轴的中心孔的两端分别安装工艺法兰305；工艺法兰305的外径由耳轴的中心孔决定，耳轴外端内孔直径为Ф400mm，采用外径为Ф480mm的工艺法兰305，耳轴内端内孔直径为Ф600mm，采用外径为Ф680mm的工艺法兰305，板厚均为δ8mm，各采用8个M20的螺栓进行连接，工艺法兰305的中心孔直径为Ф20mm。工艺法兰305主要是为孔板306的安装起到了过渡连接作用。

17.准备4只孔板306，孔板306采用厚度为δ1mm的钢板制作，直径Ф30mm，中心孔直径Ф0.8mm。孔板重量要足够小，其重量不能导致拉紧的铁丝307下垂。

18.将作为丝线的、Ф0.6mm的铁丝307依次穿过第一只孔板中心孔—第一耳轴外端工艺法兰中心孔—第一耳轴内端工艺法兰中心孔—第二只孔板中心孔-第三只孔板中心孔—第二耳轴内端工艺法兰中心孔—第二耳轴外端工艺法兰中心孔—第四只孔板中心孔。

19.如图4所示，将铁丝307拉紧，两端固定于两耳轴外侧的支架308上，并通过支架308上的调整机构调整铁丝307的两端上下或左右移动，使铁丝307同时通过耳轴端面上的水平中心线和垂直中心线。

20.将各孔板306分别与对应工艺法兰305的粘结在一起；粘粘采用495胶，粘结过程切勿用力拨动铁丝307，以孔板306中心孔上边缘接触铁丝307、孔板306自然下垂的方式轻拨孔板306，将孔板306粘贴固定于工艺法兰305上，保证4个孔板306上Ф0.8mm的中心孔相互同心。

21.待孔板306粘牢后，抽掉铁丝307。

22.如图4，每个耳轴的外侧分别固定设置一个支架308，如图9，将红外光传感器402固定在一侧的支架308上，连接报警喇叭，并接通电源。

23.将红外线发射器401固定于另一侧的支架308上，并将红外线光束3000通过4个孔板306的中心孔投射到红外光传感器402的感光元件上，并调试设备正常工作。

24.如图9和11，在两耳轴的靠外端圆柱面上分别固定千分表404。千分表404的测量杆与耳轴圆柱面相接触的点距离耳轴外端面控制在5mm之内。千分表404是通过固定架、夹持架固定在平台301上：固定架固定在平台301上，夹持架连接安装在固定架上，夹持架固定住千分表的套筒使千分表的测量杆与耳轴圆柱面稳定接触，并保证测量杆垂直于所接触的圆柱面。在耳轴圆柱面12点钟和9点钟位置分别固定一块千分表404。

25.如图6，用第二固定块502和中心固定块503将耳轴块组合101与耳轴支撑座302进行连接固定，此时耳轴支撑座302是已经固定好的支撑物，耳轴块组合101是待固定的目标物：

25-1.固定块采用30mm厚的钢板，大小150×150mm，且固定块与耳轴块组合101及耳轴支撑座302相接触的两连接侧面都进行了机加工，固定块两相邻两连接侧面之间形成的阴角的顶点切掉R10的圆角，确保连接面能够紧密接触；

固定块相对于耳轴块组合101而言质量极小，产生于耳轴块组合101与固定块之间的焊接变形只会集中于固定块上，而不会对耳轴的同轴度造成影响。

25-2.第二固定块502相对于耳轴的轴线对称分布，且在耳轴轴线的垂直投影线上布置了中心固定块503；各相邻固定块之间的间距不超过300mm；内外侧成对布置共14块，左右侧成对布置了4块固定块；

25-3.先焊第二固定块502及中心固定块503与耳轴块组合101之间的焊缝；第二固定块502及中心固定块503与耳轴块组合101点固后，通过适当锤击使固定块与耳轴支撑座302贴紧后，再完成第二固定块502及中心固定块503与耳轴块组合101之间的焊接；要保证与耳轴块组合101连接后的固定块仍要与耳轴支撑座302保持接触，避免因有间隙在液态熔敷金属凝固收缩时造成耳轴块组合101产生偏移；

25-4.然后完成第二固定块502及中心固定块503与耳轴支撑座302之间的焊接，采取了如下工艺措施：

25-4-1.耳轴块组合101与支撑座之间的第二固定块502由四个焊工同时对称施焊完成，其中两位焊工在外侧，两名焊工在内侧，并且分别在耳轴轴线的左右两侧（如图6所示，按第一焊工工位1000分布）；

25-4-2.先焊两个中心固定块503，再向中心线两侧由近及远依次逐对展开对第二固定块502的焊接；

25-4-3.四名焊工要按大致相同的焊接参数，听号令同时同方向施焊，以使焊接变形相互抵消；

25-4-4.每个第二固定块502施焊过程都是先短后长，分段完成；如：先焊3cm长，再焊5cm长，最后焊完固定块全长；要确保焊接过程中报警喇叭没有出现警报，即红外线要始终能通过4个孔板306的中心孔。

26.如图7，施焊支撑耳轴块组合101的4个牛腿支撑309，此时耳轴块组合101、平台301是已经固定好的支撑物，牛腿支撑309是待固定的目标物，对于牛腿支撑309的两端，分别先将固定块与目标物焊接在一起，再将固定块与支撑物焊接在一起：

26-1.牛腿支撑309采用的是250×250×12的方形空心型钢，也可以是圆形型钢、工字钢、槽钢等；通过三维制图完成了牛腿支撑309与耳轴块组合101、平台301三者在空间上的组配；牛腿支撑309与耳轴块组合101侧面及平台301表面的配合面采用机加工完成，保证了牛腿支撑309尺寸一致且装配良好，不留间隙；

26-2.牛腿支撑309通过图7所示第三固定块504和第四固定块505分别进行连接固定，非正方形的异形固定块是通过三维制图完成空间组配并对待焊接的连接侧面采用机加工，保证装配良好；

26-3.牛腿支撑309上端的支撑点位于耳轴块组合101的中上部（耳轴的水平中线以上，如图7所示）；

26-4.施焊牛腿支撑309与耳轴块组合101之间的第三固定块504，焊接顺序是：为了保证牛腿支撑309下端面与平台301保持良好接触，先焊左右两侧的第三固定块504，再焊上下两侧的第三固定块504；

26-5.再施焊牛腿支撑309与平台301连接的第四固定块505，由于该过程是平台301对耳轴块组合101逐渐产生外力作用的过程，要求4个焊工按图8中第二焊工工位2000的位置对应4个牛腿支撑309同时对称施焊，要求第四固定块505与平台301及牛腿支撑309的接触处配合良好且不留间隙。

27.如图14，将扇形块102放置在底部支撑座303和弹性支撑座304上，将组配好的耳轴块组合101与扇形块102间的各对接接头用临时卡块310进行固定。

28.设置数字激光位移传感器403模拟量窗口范围为±1.25mm（要小于托圈3mm的平面度要求），在此模拟量窗口以内，开关量输出为截止，在此模拟量窗口以外，开关量输出为导通。

29.如图12和13，将2个数字激光位移传感器403分别置于两个扇形块102中间弧顶下方平台301上，并将激光束投射在扇形块102中间弧顶下盖板下表面上；接通电源，并调试报警装置正常工作。

（C）焊接阶段：

30.对耳轴块组合101与扇形块102连接的箱型接头施焊，要求及步骤如下：

30-1.每段焊道施焊完成后，都要用风铲进行振动以消除应力；

30-2.坡口宽度大于15mm时要进行分道施焊，以减小焊接应力；

30-3.先焊箱体内侧的侧板对接焊缝201，总共8条侧板对接焊缝201，由 8名焊工同时施焊；分层施焊，每一焊层均分为若干焊接段，各焊接段均相对于侧板宽度中线对称分布；各焊层及其焊接段的施焊顺序如图15所示，图中序号代表了先后次序，从左至右分别为第一层、第二层和第三层，向上箭头表示焊接方向，具体操作如下：

30-3-1.第一层，先跨侧板宽度中线4000上下对称施焊100mm，再分别向两端延长施焊，每延长一次均增加100mm，直至第一层完成；焊接完成第一层后，将箱体外侧的临时卡块310去除；

30-3-2.第二层，先跨侧板宽度中线4000上下对称施焊250mm，再分别向两端延长施焊，每延长一次均增加250mm，直至第二层完成；

30-3-3.第三层及以后各焊层，均先跨侧板宽度中线4000上下对称施焊400mm，再分别向两端延长施焊，每延长一次均增加400mm；

每层的熔敷厚度为4～5mm；

30-3-4.在箱体内侧焊接完成三层后，开始在箱体外侧进行碳弧气刨清根，清根深度为8～10mm，使得背面坡口深度大致为板厚的一半，最终使该焊缝的熔敷金属中在箱体内侧的待填充量与在箱体外侧的待填充量基本相等；所述填充量是指进行焊接操作中所填充的熔敷金属的多少；

30-3-5.按30-3-1至30-3-3的施焊顺序在箱体外侧对侧板对接焊缝201施焊，待填充至内外侧坡口深度基本相等时，内外侧同时施焊；

30-3-6.托圈共8条侧板对接焊缝201，内、外侧基本保持一致的施焊进度，直至完成。

需要说明的是，在外侧板上开设有四个人孔，使焊工可以自由进出箱体，从而实现内侧的焊接。所有焊接工作完成后，使用法兰将人孔封闭。

焊接过程中，如果孔板306遮挡住红外线出现报警，则根据耳轴左右偏移的情况调整焊接参数、顺序等。焊接参数是指焊接时为了保证焊接质量而选定的物理量的总称，典型的有：焊接电压、焊接电流、焊接速度、填充量、焊丝直径等等，视具体情况而定。调整时，如果某耳轴朝向某一侧发生偏移，则调整该耳轴所在的耳轴块组合101两侧的焊缝的焊接参数，使与偏移方向同侧的焊缝的焊接停止，或焊接填充速度慢于对侧的焊缝的焊接填充速度。本实施例主要以调整填充量为主，如果耳轴向一侧偏移，则增加对侧的侧板对接焊缝201的填充量，达到纠偏的效果。焊接操作人员可以根据实际情况选择调整其它参数，其最终目的都是使两侧新产生的应力不平衡，从而拉动工件，抵消检测到的已有变形，达到控制精度的目的。

实施过程中，在侧板对接焊缝201的第一层施焊过程中，出现一次报警的情况，观察千分表404，发现是一侧耳轴的3点钟千分表404出现0.5mm的向右偏转，通过增加此耳轴左侧的侧板对接焊缝201的填充量，偏转得以纠正。在第二层焊缝的施焊过程中，发现该耳轴又出现超过0.3mm的偏移，由于发现及时，并没有出现报警，通过调整焊接顺序得以纠正。总之，侧板立焊缝的施焊过程中，耳轴位置的偏移主要表现为左右摆动；特别是前三层的焊接过程中，耳轴较容易产生偏移，且幅度相对较大。

受内外侧板立焊缝应力的影响，扇形块102的变形主要表现为向托圈中心方向的平移，位移量为1～2mm；在此过程中数字激光位移传感器403所检测的扇形块102弧顶上下位移显示的数值变化范围很小，无报警。

30-4.施焊盖板侧板焊缝203，两耳轴块组合101与两扇形块102之间形成的总共16条盖板侧板焊缝203由16名焊工同时对称施焊，且施焊进度保持基本一致；由于盖板侧板焊缝203较短，焊接填充量也小，施焊过程中耳轴同轴度保持在要求范围内，变动很小；数字激光位移传感器403显示数值变化范围也很小，无报警。

30-5.最后施焊上下盖板对接焊缝202，由于上下盖板对接焊缝的施焊分为仰焊和平焊两种焊接位置，仰焊的操作相对困难，填充效率要低于平焊位置，所以在施焊过程中，平焊位置要适当降低填充速度，并适时测量坡口深度，以保证上下盖板对接焊缝202施焊进度基本同步；

先焊箱体内侧的盖板对接焊缝202，总共8条盖板对接焊缝202，由 8名焊工同时施焊；分层施焊，每一焊层均分为若干焊接段，各焊接段均相对于盖板宽度中线对称分布，各焊接段的施焊方向相同；各焊层及其焊接段的施焊顺序参见如图15所示，从左至右分别为第一层、第二层和第三层，向上箭头表示焊接方向，具体操作如下：

30-5-1.第一层，先跨越盖板宽度中线4000对称施焊100mm，再分别向两端延长施焊，每延长一次均增加100mm，直至第一层完成；

30-5-2.第二层，先跨越盖板宽度中线4000对称施焊200mm，再分别向两端延长施焊，每延长一次均增加200mm，直至第二层完成；

30-5-3.第三层及以后各层，先跨越盖板宽度中线4000对称施焊300mm，再分别向两端延长施焊，每延长一次均增加300mm，直至盖板对接施焊完成；

上下盖焊缝施焊方向一致、并保持一致的施焊进度；

30-5-4.当箱体内侧熔敷金属厚度达到15mm厚时，开始在箱体外侧进行碳弧气刨清根，清根深度为8～10mm，使得背面坡口深度大致为板厚的一半，最终使该焊缝的熔敷金属中在箱体内侧的待填充量与在箱体外侧的待填充量基本相等；

30-5-5.按30-5-1至30-5-3的施焊顺序在箱体外侧对盖板对接焊缝202施焊，待填充至内外侧坡口深度基本相等时，内外侧同时施焊；

30-5-6.托圈共8条盖板对接焊缝202，箱体内、外侧基本保持一致的施焊进度，直至完成。

焊接过程中，如果孔板306遮挡住红外线出现报警，则根据耳轴上下偏移的情况调整焊接顺序，如果耳轴向上侧偏移，则增加对下侧的盖板对接焊缝202的填充量，达到纠偏的效果。

实施过程中，在施焊盖板对接焊缝202时，耳轴出现上下方向的偏移波动，在前三层焊缝熔敷过程中波动幅度较大，12点钟千分表404指针出现过最大偏移量为0.3mm。但整个过程控制得当，并没有出现报警的情况。

受上下盖板对接焊缝202应力的影响，扇形块102弧顶处上下位移显示的数值变化最大，在上下盖板焊到内测第二层时，一侧的扇形块102弧顶位移出现报警，该扇形块102向上抬起1.3mm，此时采取的措施是：该扇形块102两端的箱型接头上方的盖板对接焊缝202停止施焊，下方的盖板对接焊缝202按规定工艺继续对称施焊，同时保持扇形块102两端的填充量平衡，避免应力不对称出现斜拉变形。当施焊至第四层时，该扇形块102的变形回到了设定的允许范围以内，读数显示向上位移0.63mm。在该扇形块102纠偏的过程中，由于填充速度及对称性控制得当，耳轴同轴度的精度并未受到大的影响，通过千分表404的指针变动情况，知悉耳轴向纠偏扇形块102侧微偏约0.1mm。此后的施焊过程变形均控制在要求范围之内。

31.托圈焊接完成，检查千分表404的指针，确认耳轴的同轴度达到精度要求后，用电热毯对托圈四个箱体接头进行了72小时400℃的后热时效处理。

32.拆卸托圈，拆除所有固定块，拆除过程是沿着安装固定块时的逆顺序进行的。

32-1.拆除第三固定块504和第四固定块505；由8人对应8根牛腿支撑309同时对称操作，逐对对称拆除固定块，让支撑作用力逐渐的缓和释放。在此过程中注意观察千分表404指针的偏移情况，没有出现报警；

32-2.拆除第二固定块502和中心固定块503；由8人进行同时对称操作，由两侧向中心线由远及近逐对割除，这一过程使得对耳轴的作用力呈中心线对称成对释放消除，避免了耳轴因不对称受力而产生大的偏移。

由于扇形块102采用了弹性支撑，在托圈4个箱体接头的焊接过程中，其焊接变形属于自由变形，焊接残余应力很小，且很对称，因此在固定块拆除过程中，耳轴的偏移波动很小，均在可控范围内。

按本工艺方法制作的托圈残余应力小，托圈焊后的形状和尺寸相对稳定。

Claims (10)

1.一种高精度控制焊接变形的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

（A）准备阶段：

准备平台（301），在平台（301）上按托圈的设计尺寸以一比一的比例放地样；所述托圈包括两件相对设置的耳轴块组合（101）和两件相对设置的扇形块（102），耳轴块组合（101）和扇形块（102）间隔设置，耳轴块组合（101）与两端所相邻的扇形块（102）之间待通过焊接方式相连接以构成托圈的环形主体，所述耳轴块组合（101）是由耳轴块（101-2）与耳轴（101-1）组对焊接后机加工而成；所述耳轴（101-1）上设有中心孔；

完成耳轴块组合（101）和扇形块（102）各自箱体的组对焊接以及耳轴（101-1）的精加工，并完成耳轴块组合（101）与扇形块（102）之间四组箱型对接接头的坡口加工；

（B）定位阶段：

在平台（301）上固定有耳轴支撑座（302），将耳轴块组合（101）放置在耳轴支撑座（302）上，并以地样为基准，找正耳轴块组合（101）的位置；然后在两组耳轴块组合（101）上分别安装标记装置，并在平台（301）上设置标记检测装置；并将耳轴块组合（101）固定在耳轴支撑座（302）上，将扇形块（102）放置在平台（301）上的弹性支撑部件上；

（C）焊接阶段：

对两组耳轴块组合（101）和两组扇形块（102）之间形成的四组箱型对接接头进行同步、对称施焊，焊接过程中使用标记检测装置实时监测标记装置的位置，判断耳轴块组合（101）是否发生偏移，根据偏移方向实时调整焊接参数。

2.如权利要求1所述的高精度控制焊接变形的工艺方法，其特征在于：耳轴块（101-2）与扇形块（102）的型箱结构均包括上下两个盖板和内外两个侧板；耳轴块（101-2）的盖板（101-2-10）伸出于内外侧板（101-2-20），扇形块（102）的内外侧板（102-20）伸出于盖板（102-10），对于每组箱型对接接头：耳轴块（101-2）的内外侧板（101-2-20）与扇形块（102）的内外侧板（102-20）构成内外两条侧板对接焊缝（201），耳轴块（101-2）的上下盖板（101-2-10）与扇形块（102）的上下盖板（102-10）分别构成上下两条盖板对接焊缝（202），耳轴块（101-2）的上下盖板（101-2-10）与扇形块（102）的内外侧板（102-20）构成四条盖板侧板焊缝（203），上方内侧和外侧各一条盖板侧板焊缝（203），下方内侧和外侧各一条盖板侧板焊缝（203）；

所述侧板对接焊缝（201）和盖板侧板焊缝（203）采用非对称的坡口形式，设位于箱体外侧的坡口深度为H，则位于箱体内侧的坡口深度为H+14mm，钝边为2mm。

3.如权利要求2所述的高精度控制焊接变形的工艺方法，其特征在于：侧板对接焊缝（201）的坡口根部间隙小于盖板对接焊缝（202）的坡口根部间隙；在焊接阶段，先焊接侧板对接焊缝（201），再焊接盖板侧板焊缝（203），最后焊接盖板对接焊缝（202）。

4.如权利要求2所述的高精度控制焊接变形的工艺方法，其特征在于：焊接侧板对接焊缝（201）和、或盖板对接焊缝（202）时，先同步、对称焊接位于箱体内侧的坡口，然后停止内侧的焊接，对箱体外侧部分进行清根，然后开始外侧的焊接，再开始在箱体内外侧同时焊接。

5.如权利要求4所述的高精度控制焊接变形的工艺方法，其特征在于：对箱体外侧部分进行清根，直至箱体内侧坡口的待填充量为外侧的80%-120%，再开始外侧坡口的焊接；当外侧焊接至外侧剩余的坡口深度为内侧的80%-120%时，再开始在箱体内外侧坡口同时焊接。

6.如权利要求2所述的高精度控制焊接变形的工艺方法，其特征在于：对侧板对接焊缝（201）和盖板对接焊缝（202）的内侧以及外侧的焊接均采用分层分段的焊接方式，并且相互对称的焊缝要同步施焊；所述分层分段的焊接方式是指：分层焊接且每一层内分段焊接，对于每一层，先对称跨越侧板或盖板宽度中线焊接第一段，再上下交替延长施焊其它焊接段，直至完成该焊层的焊接，再开始焊接下一层。

7.如权利要求1所述的高精度控制焊接变形的工艺方法，其特征在于：在准备阶段，耳轴（101-1）精加工完成之后，在耳轴（101-1）的两个端面上划出耳轴外圆面的水平中心线和竖直中心线；

所述标记装置包括四组工艺法兰（305）和孔板（306）；

耳轴（101-1）的中心孔的内端和外端分别对应一个工艺法兰（305），每个工艺法兰（305）分别对应一个孔板（306）；

所述工艺法兰（305）安装在对应的耳轴的端部，且其中心设有通孔，使用丝线依次穿过四个孔板（306）后拉直；依据耳轴（101-1）端面上的水平中心线和竖直中心线找正丝线的位置，使丝线与耳轴轴线相重合，然后固定好丝线；以孔板（306）保持自然下垂的状态将孔板（306）固定到对应的工艺法兰（305）上；

所述孔板（306）中心孔的直径小于耳轴同轴度要求的精度值；

所述标记检测装置包括光线发射装置和感光装置；在孔板（306）固定好之后、焊接阶段开始前，将所述丝线拆下；光线发射装置所发出的光线依次穿过四个孔板（306）的中心孔照射到感光装置上；感光装置还连接有报警装置，当感光装置无法感应到光线时，发出警报。

8.如权利要求1所述的高精度控制焊接变形的工艺方法，其特征在于：焊接阶段中，根据耳轴的偏移方向对焊接参数进行实时调整；如果某耳轴朝向某一侧发生偏移，则调整该耳轴所在的耳轴块组合（101）两侧的焊缝的焊接参数，使与偏移方向同侧的焊缝的焊接停止或焊接填充速度慢于对侧的焊缝的焊接填充速度。

9.如权利要求8所述的高精度控制焊接变形的工艺方法，其特征在于：焊接开始前，在每个耳轴外端圆柱面上分别设置两个千分表（404），所述千分表（404）相对于平台（301）固定设置；一个千分表（404）的测量杆与耳轴外圆柱面的12点位置或6点位置垂直接触，另一个千分表（404）的测量杆与耳轴外圆柱面的9点位置或3点位置垂直接触；焊接时，观察各千分表（404）的表针，根据表针的动作情况判断耳轴当前的偏移情况；

在扇形块（102）的中部弧顶处的下方放置位移检测装置，检测扇形块（102）在竖直方向的偏移情况。

10.如权利要求1至9任一所述的高精度控制焊接变形的工艺方法，其特征在于：在定位阶段，将位置已经固定的物体作为支撑物，将等待被固定在支撑物上的物体作为目标物，使用若干固定块将目标物与支撑物进行连接固定；所述固定块相对于所对应的耳轴的轴线对称分布；

所述固定块与目标物及支撑物分别通过焊接的方式相连接：先将固定块与目标物焊接到一起，再将固定块与支撑物焊接到一起；焊接时由多人同时施焊，并且相对于耳轴的轴线对称操作；固定块与目标物及支撑物分别相接触的两个侧面均进行机加工。

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