摘  要：焊接箱体具有制造成本低、生产效率高的显著特点，在装备制造业中应用广泛。对于传动箱体来说，密封性、强度和刚度的要求非常高。现场施工中影响焊接质量有很多因素，包括焊接方法、焊接材料、焊接参数及过程控制等。如何控制箱体变形，提高箱体建造质量，是摆在每一位生产管理人员面前的一个问题。结合钻井船升降系统基础—齿轮箱的建造过程，阐述反变形法、控制焊接工艺法、刚性固定法等典型方式在齿轮箱尺寸控制中的应用。

关键词：尺寸控制；反变形；焊接工艺；刚性固定

1 箱型体介绍及精度要求

文中所述箱型体指的是200ft钻井船升降系统基础—齿轮箱。钻井船升降系统共三套，首部一套，尾部左右舷各一套。每一套升降系统的结构部分均由3个结构基本相同的固桩单体组成。每一个单体固桩单体由上下两部分组成，分界线位于甲板上914mm，上部结构为齿轮箱，主要用于安装升降系统减速箱及动力装置，并于顶部安装齿条导向结构；下部为升降底座及下滑道，将与桩腿围井结构焊装在一起，从下向上依次安装有齿条端面导板（内底板高度区域）、下部垂向千斤顶基座（机械甲板高度区域，用于桩腿的锁紧）、齿条侧面导板和水平千斤顶基座（主甲板和机械甲板之间）和上部垂向千斤顶基座（位于主甲板高度区域）。齿轮箱结构形式为板壳结构，建造完成之后成为一个类似封闭的箱型体。焊接箱体以其制造成本低，生产效率高的显著特点，已经广泛的应用到装备制造业中；对其质量的要求也越来越高。

齿轮箱为钻井船升降系统的关键结构，精度要求极高，前面板的平面度≤2mm，对角线距离≤±5mm，侧板与面板垂直度≤1.5mm，结构总体厚度尺寸公差≤±1mm，长度尺寸公差≤±2mm。

2 变形因素分析及一般措施

2.1 焊接变形分析

焊接过程是一种不均匀的加热和冷却，是容易造成构件产生内应力而引起变形的主要原因。焊接时，受热金属膨胀，周围不受热金属不膨胀，相当于刚性固定。于是，受热金属的膨胀受到阻碍和抑制，产生了压缩塑性变形。而焊完冷却后，焊缝和焊缝附近的金属，因收缩而变短，却又受到周围为受热的金属的限制，就使焊件产生了内应力，以致产生变形[1]。

2.2 反变形法

反变形法就是在焊接前的组对过程中，先将焊件朝着与焊接变形相反的方向进行人为的变形，以达到焊接后与焊接变形相互抵消，实现尺寸控制的目的。

反变形在控制焊接变形中的运用是最广泛的一种控制措施。尤其对于焊接变形的方向与变形量可以预测的组对，更是每一次现场运用的典范。

2.3 控制焊接工艺法

控制焊接工艺法就是通过焊接方法的优化，使焊接剩余应力分散，避免出现焊接应力高峰，有效的控制焊接变形。依据不同焊接方法的特点，以合理的焊接程序控制焊接变形量。

对于直焊缝，常见的焊接方法有五种，即：分段退焊法、分中逐步退焊法、跳焊法、交替焊接法、分中对称焊法【2】。

对于弯曲或环形焊缝，常见的焊接方法为同方向对称施焊。

2.4 钢性固定法

钢性固定法就是在焊接前，采用一些额外的固定部件，增加焊件的刚性，减少焊接过程中焊件的自由度，达到减小焊接变形、控制焊后尺寸的目的。

3 施工过程中的尺寸控制

3.1 前面板平面度控制

升降系统基础采用类似于组块的反造法，先在胎架上铺前面板，然后进行内部结构的组对焊接，这样的建造顺序容易导致焊接的上表面单面受热收缩，从而使前面板两侧向上翘起。为保证前面板平面度≤2mm，采用反变形措施。

图1  胎架筋板布置（箱型体施工）

在预制胎架支撑筋板时，预留有一定的反变形量：使中间三排的支撑筋板相对外侧的高出一个反变形量。通过这种措施，控制前面板在翻身之后，应力集中点（主要为中心线、小轴套附近）平面度控制在±2.5mm，翻身后，轴套的气刨清根、焊接，再发生变形。通过反变形措施，最终焊接后的前面板的基本平面度为±1mm(图1)。

3.2 侧板与面板垂直度控制

图2 齿轮箱内部结构（箱型体施工）

如图2所示，侧面板与内部结构焊接面存在4条竖直的与内部筋板的焊接，而其外侧，除与前面板对接处之外（内侧也有此长焊缝），没有焊接量，因此侧面板在焊接后，必然向箱体内部收缩。如果不做好防变形措施，一旦焊接完成后与内部结构形成整体，变形几乎不能调整。为了保证侧板与面板垂直度≤1.5mm的技术要求，采用三项主要措施。

第一，如图3所示，采取反变形措施。在侧板与内部筋板对接处上面留2mm的缝隙的反变形量。

图3 侧面板反变形（箱型体施工）

第二，如图4所示，控制焊接工艺。侧面板与前面板连接处存在长达4386mm的长直焊缝，采用分中对称焊法与跳焊法相结合的方式。

第三，钢性固定措施，如图4所示阴影部分为钢性固定长条。对于中间筋板比较少的位置，采取钢性固定措施，减少侧板向内部收缩的趋势。

图4 侧面板钢性固定（箱型体施工）

采取上述三种控制措施之后，箱体侧板只存在细小的波浪变形，通过简单的火调就能达到侧板与面板垂直度≤1.5mm技术要求。最后对需要与升降系统底座及下滑道对接合拢的下端口进行矩形方度校正，测量其对角线长度分别为2676mm,2675mm。这说明，下端口为矩形，即两侧板与面板是垂直的。

3.3 外形尺寸公差控制

图5 外形尺寸公差（箱型体施工）

外形尺寸长度保证4386±2mm，施工中采取的措施是以上端为基准（即为实料长），下端留有加工余量。这样处理不仅能保证尺寸，也能够保证接下来的对接合拢时有足够的应对意外变形的空间（图5）。

导向板尺寸要求378±0.6mm，加上内侧高铅铜35mm厚度，两导向板距中心线的距离要求为413±0.6mm。导向板开K型坡口，在焊接时，导向板往两侧偏移的可能性都存在，但是由于外侧的T型支撑筋板起到支撑作用（相当于钢性固定），使得导向板几乎不往外侧偏移，只有可能往内侧偏移。

为了确保尺寸，施工中主要通过以下两种方式控制：

第一，钢性固定措施。如图6所示阴影部分为所加两T型和一长条形钢性固定。

图6 导向板钢性固定（箱型体施工）

第二，调整焊接的工艺。先焊接外侧的4个T型支撑筋板和内侧的4个三角形筋板，接着采用两边两名焊工同时施焊的对称焊接方式焊接导向板。

通过采取这些措施，焊接结束后，去除钢性固定部件，经测量，采样尺寸为412mm，412mm；413mm，412.5mm；412mm，412mm；413mm，412.5mm；413mm，
413mm；413mm，413mm；413mm，413mm；

4 结 论

1）在箱体焊接过程中综合利用反变形法、刚性固定法和控制焊接工艺法焊接的箱体不但强度达标，而且外形、尺寸符图，焊接变形小、焊缝美观。

2）通过对焊接变形的合理预测，采取了科学的控制措施，实现了对齿轮箱基础尺寸的有效控制，在保证产品质量的同时降低了劳动成本，提高了工作效率。

参考文献

[1]唐玉兰,张君.浅析箱体的焊接过程中常见的问题及解决对策[J]. 有色矿冶, 2009, 25(2):54-55.

[2]王民锋，岳彩旺.组块建造过程中焊接变形的控制[C]∕2008全国中国建筑金属结构信息网学术年会论文集.2008