摘  要：焊接箱體具有制造成本低、生產效率高的顯著特點，在裝備制造業中應用廣泛。對于傳動箱體來說，密封性、強度和剛度的要求非常高。現場施工中影響焊接質量有很多因素，包括焊接方法、焊接材料、焊接參數及過程控制等。如何控制箱體變形，提高箱體建造質量，是擺在每一位生產管理人員面前的一個問題。結合鉆井船升降系統基礎—齒輪箱的建造過程，闡述反變形法、控制焊接工藝法、剛性固定法等典型方式在齒輪箱尺寸控制中的應用。

關鍵詞：尺寸控制；反變形；焊接工藝；剛性固定

1 箱型體介紹及精度要求

文中所述箱型體指的是200ft鉆井船升降系統基礎—齒輪箱。鉆井船升降系統共三套，首部一套，尾部左右舷各一套。每一套升降系統的結構部分均由3個結構基本相同的固樁單體組成。每一個單體固樁單體由上下兩部分組成，分界線位于甲板上914mm，上部結構為齒輪箱，主要用于安裝升降系統減速箱及動力裝置，并于頂部安裝齒條導向結構；下部為升降底座及下滑道，將與樁腿圍井結構焊裝在一起，從下向上依次安裝有齒條端面導板（內底板高度區域）、下部垂向千斤頂基座（機械甲板高度區域，用于樁腿的鎖緊）、齒條側面導板和水平千斤頂基座（主甲板和機械甲板之間）和上部垂向千斤頂基座（位于主甲板高度區域）。齒輪箱結構形式為板殼結構，建造完成之后成為一個類似封閉的箱型體。焊接箱體以其制造成本低，生產效率高的顯著特點，已經廣泛的應用到裝備制造業中；對其質量的要求也越來越高。

齒輪箱為鉆井船升降系統的關鍵結構，精度要求極高，前面板的平面度≤2mm，對角線距離≤±5mm，側板與面板垂直度≤1.5mm，結構總體厚度尺寸公差≤±1mm，長度尺寸公差≤±2mm。

2 變形因素分析及一般措施

2.1 焊接變形分析

焊接過程是一種不均勻的加熱和冷卻，是容易造成構件產生內應力而引起變形的主要原因。焊接時，受熱金屬膨脹，周圍不受熱金屬不膨脹，相當于剛性固定。于是，受熱金屬的膨脹受到阻礙和抑制，產生了壓縮塑性變形。而焊完冷卻后，焊縫和焊縫附近的金屬，因收縮而變短，卻又受到周圍為受熱的金屬的限制，就使焊件產生了內應力，以致產生變形[1]。

2.2 反變形法

反變形法就是在焊接前的組對過程中，先將焊件朝著與焊接變形相反的方向進行人為的變形，以達到焊接后與焊接變形相互抵消，實現尺寸控制的目的。

反變形在控制焊接變形中的運用是最廣泛的一種控制措施。尤其對于焊接變形的方向與變形量可以預測的組對，更是每一次現場運用的典范。

2.3 控制焊接工藝法

控制焊接工藝法就是通過焊接方法的優化，使焊接剩余應力分散，避免出現焊接應力高峰，有效的控制焊接變形。依據不同焊接方法的特點，以合理的焊接程序控制焊接變形量。

對于直焊縫，常見的焊接方法有五種，即：分段退焊法、分中逐步退焊法、跳焊法、交替焊接法、分中對稱焊法【2】。

對于彎曲或環形焊縫，常見的焊接方法為同方向對稱施焊。

2.4 鋼性固定法

鋼性固定法就是在焊接前，采用一些額外的固定部件，增加焊件的剛性，減少焊接過程中焊件的自由度，達到減小焊接變形、控制焊后尺寸的目的。

3 施工過程中的尺寸控制

3.1 前面板平面度控制

升降系統基礎采用類似于組塊的反造法，先在胎架上鋪前面板，然后進行內部結構的組對焊接，這樣的建造順序容易導致焊接的上表面單面受熱收縮，從而使前面板兩側向上翹起。為保證前面板平面度≤2mm，采用反變形措施。

圖1  胎架筋板布置（箱型體施工）

在預制胎架支撐筋板時，預留有一定的反變形量：使中間三排的支撐筋板相對外側的高出一個反變形量。通過這種措施，控制前面板在翻身之后，應力集中點（主要為中心線、小軸套附近）平面度控制在±2.5mm，翻身后，軸套的氣刨清根、焊接，再發生變形。通過反變形措施，最終焊接后的前面板的基本平面度為±1mm(圖1)。

3.2 側板與面板垂直度控制

圖2 齒輪箱內部結構（箱型體施工）

如圖2所示，側面板與內部結構焊接面存在4條豎直的與內部筋板的焊接，而其外側，除與前面板對接處之外（內側也有此長焊縫），沒有焊接量，因此側面板在焊接后，必然向箱體內部收縮。如果不做好防變形措施，一旦焊接完成后與內部結構形成整體，變形幾乎不能調整。為了保證側板與面板垂直度≤1.5mm的技術要求，采用三項主要措施。

第一，如圖3所示，采取反變形措施。在側板與內部筋板對接處上面留2mm的縫隙的反變形量。

圖3 側面板反變形（箱型體施工）

第二，如圖4所示，控制焊接工藝。側面板與前面板連接處存在長達4386mm的長直焊縫，采用分中對稱焊法與跳焊法相結合的方式。

第三，鋼性固定措施，如圖4所示陰影部分為鋼性固定長條。對于中間筋板比較少的位置，采取鋼性固定措施，減少側板向內部收縮的趨勢。

圖4 側面板鋼性固定（箱型體施工）

采取上述三種控制措施之后，箱體側板只存在細小的波浪變形，通過簡單的火調就能達到側板與面板垂直度≤1.5mm技術要求。最后對需要與升降系統底座及下滑道對接合攏的下端口進行矩形方度校正，測量其對角線長度分別為2676mm,2675mm。這說明，下端口為矩形，即兩側板與面板是垂直的。

3.3 外形尺寸公差控制

圖5 外形尺寸公差（箱型體施工）

外形尺寸長度保證4386±2mm，施工中采取的措施是以上端為基準（即為實料長），下端留有加工余量。這樣處理不僅能保證尺寸，也能夠保證接下來的對接合攏時有足夠的應對意外變形的空間（圖5）。

導向板尺寸要求378±0.6mm，加上內側高鉛銅35mm厚度，兩導向板距中心線的距離要求為413±0.6mm。導向板開K型坡口，在焊接時，導向板往兩側偏移的可能性都存在，但是由于外側的T型支撐筋板起到支撐作用（相當于鋼性固定），使得導向板幾乎不往外側偏移，只有可能往內側偏移。

為了確保尺寸，施工中主要通過以下兩種方式控制：

第一，鋼性固定措施。如圖6所示陰影部分為所加兩T型和一長條形鋼性固定。

圖6 導向板鋼性固定（箱型體施工）

第二，調整焊接的工藝。先焊接外側的4個T型支撐筋板和內側的4個三角形筋板，接著采用兩邊兩名焊工同時施焊的對稱焊接方式焊接導向板。

通過采取這些措施，焊接結束后，去除鋼性固定部件，經測量，采樣尺寸為412mm，412mm；413mm，412.5mm；412mm，412mm；413mm，412.5mm；413mm，
413mm；413mm，413mm；413mm，413mm；

4 結 論

1）在箱體焊接過程中綜合利用反變形法、剛性固定法和控制焊接工藝法焊接的箱體不但強度達標，而且外形、尺寸符圖，焊接變形小、焊縫美觀。

2）通過對焊接變形的合理預測，采取了科學的控制措施，實現了對齒輪箱基礎尺寸的有效控制，在保證產品質量的同時降低了勞動成本，提高了工作效率。

參考文獻

[1]唐玉蘭,張君.淺析箱體的焊接過程中常見的問題及解決對策[J]. 有色礦冶, 2009, 25(2):54-55.

[2]王民鋒，岳彩旺.組塊建造過程中焊接變形的控制[C]∕2008全國鋼結構學術年會論文集.2008