挖掘机结构件焊接工艺性分析及焊接变形控制.docx
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挖掘机结构件焊接工艺性分析及焊接变形控制
绪论………………………………………………………………………1
1挖掘机结构件的焊接工艺分析………………………………………2
1-1挖掘机结构件用材料及其焊接性…………………………………2
1-1-1焊接冷裂纹………………………………………………………2
1-1-2冲击韧性…………………………………………………………3
1-2挖掘机结构件焊接材料、工艺方法及装备………………………4
1-2-1焊接材料选择……………………………………………………4
1-2-2工艺方法及装备…………………………………………………4
2挖掘机结构件焊接变形控制…………………………………………5
2-1焊接变形的主要形式及产生原因…………………………………5
2-2控制焊接变形的方法………………………………………………6
2-2-1反变形法…………………………………………………………7
2-2-2刚性固定法………………………………………………………8
2-2-3制定合理的焊接顺序……………………………………………9
2-2-4多层多道焊接工艺次序和方向…………………………………10
3结论……………………………………………………………………11
参考文献………………………………………………………………12
摘要
随着国家经济的繁荣及基础建设的飞速发展，挖掘机的应用及需求日益增长。
然而在挖掘机生产制造过程中的结构件焊接工艺成为挖掘机整机质量及性能的重要决定因素，焊接变形的控制对挖掘机结构件焊接工艺有着重要的意义。
本文主要从挖掘机结构件焊接工艺的几个重要方面如：
结构母材的焊接性、焊接材料、焊接工艺及设备分析了挖掘机结构件的焊接工艺性，以及从反变形法、刚性固定法、焊接顺序及多层多道焊技术方面入手结合工作实际经验论证了控制挖掘机结构件焊接变形的主要措施。
实践证明，合理的焊接工艺及必要的焊接变形控制大大提高了挖掘机结构件质量，及挖掘机整机的可靠性及使用寿命。
关键词：
挖掘机、焊接工艺、焊接变形、焊接性、反变形法、刚性固定法、焊接顺序、多层多道。
绪论
工程机械行业是国民经济支柱产业之一，挖掘机行业是工程机械行业的主要组成部分，近年来国家经济的发展给挖掘机制造提供了很大的发展空间，产品的品种、产量均有大幅度提高。
挖掘机被广泛应用于公路、桥梁、建筑、养殖池等工程的施工。
挖掘机械一般由动力装置、传动装置、行走装置和工作装置组成。
挖掘机主要部件如上车平台、履带架、动臂、斗杆、铲斗均采用焊接结构。
随着钢铁工业的发展，先进焊接技术的应用日益广泛，焊接结构在挖掘机结构中占的比重越来越大，其中有板材的焊接件，也有铸造件、锻造件和板材的混合焊接件。
无论从焊接零件的数量还是按零部件的重量计算，焊接结构件所占的比例一般都在65%以上，可见焊接工艺在挖掘机整机生产过程中所占有的重要地位。
本人从2005年进入挖掘机生产行业开始，先后就现代系列挖掘机和特雷克斯系列小挖的结构件焊接工艺结合生产实际作了大量基础性研究，对下料方法、折弯要求、工装制作及定位、点焊及反变形设计、焊接规范参数、焊接顺序、校形等技术取得了初步经验，积累了必要的数据。
本文即对挖掘机重要结构件焊接制作工艺过程研究所取得的主要经验进行的总结。
1、挖掘机结构件的焊接工艺分析
1-1、挖掘机结构件用材料及其焊接性
目前挖掘机焊接结构件所采用的钢材大部分为低合金钢，其中Q345（16Mn）的应用最广泛，其它还包括国产的Q235、Q295、HQ60、HQ100等日本产SS400、SM490等，美国T-1，德国STE690。
下表是Q345的化学成分及力学特性：
表1.Q345的化学成分及力学特性
化学成分
C
Si
Mn
S
P
Cr
Mo
V
Ni
≤0.02
≤0.05
1.00～1.60
≤0.045
≤0.045
-
-
0.02～0.15
-
力学特性
抗拉强度Rm，Mpa
屈服强度Rel，Mpa
伸长率A，%
冲击功Akv，J
470～630
345
21
-
钢的焊接性是指钢对焊接加工的适应性，即在一定的焊接工艺条件下，获得优良焊接接头的难易程度（工艺焊接性），以及材料在施工条件下，焊接成按规定要求设计的构件，并满足预先服役要求的能力（使用焊接性）[1]。
焊接性受母材、焊接方法、构件类型及使用要求四个方面因素的影响。
工艺焊接性是指材料经焊接加工后形成完整焊接接头的能力，通常以材料对形成诸如裂纹、气孔等焊接缺陷敏感性的大小，以及所采取的工艺措施的复杂程度来比较工艺焊接性的优劣。
使用焊接性是指材料经焊接加工所形成的焊接接头能满足产品制造技术条件及安全服役要求的程度，结构及其所采用的材料不同，具体要求和指标也不同。
1-1-1、焊接冷裂纹
由于裂纹是最危险的焊接缺陷，生产中常常把焊接裂纹作为重要的考核项目，对低合金钢而言，热影响区淬硬倾向大的钢因急冷易产生焊接冷裂纹，严重降低接头的塑形。
决定这类钢的热影响区淬硬性的主要因素之一是碳当量CE。
碳当量CE计算公式为：
CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15[2]
经验表明，当CE＜0.4时，钢材的淬硬倾向不大，焊接性优良，焊接时不预热；当CE=0.4%～0.6%时，钢材的淬硬倾向增大，焊接时要采取预热，控制焊接工艺参数、缓冷或消除扩散氢等工艺措施；当CE＞0.6%时，钢材的淬硬倾向强，属于难焊的钢材，需要采取较高的余热温度和严格的工艺措施。
挖掘机主体用钢Q345的碳当量计算过程为：
CE=0.02+1.6/6+0.15/5=0.32＜0.4，故挖掘机主体结构部分焊接性较好，焊接冷裂纹敏感性小，无需采取预热和缓冷等工艺措施。
1-1-2、冲击韧性
母材和焊接区如有如有足够的强度、塑形和缺口韧性，则表明焊接结构具有可靠的使用性能。
对低温下服役的挖掘机焊接结构件，其V型缺口冲击值的下限值要达到所规定的温度韧性保证值，以防止结构在载荷下的脆性破毁。
特雷克斯系列挖掘机结构件主体材料Q345D的焊接接头冲击试验值如下表：
表2.Q345D钢焊接接头冲击韧性
板厚，mm
焊接材料
冲击部位
Akv20℃，J
规定值
12
ER70-G实芯焊丝
焊缝
92，86，92
≥27
12
热影响区
85，94，94
焊接区特别是焊接过热区的的冲击韧性，由于热输入影响会使其下降。
因此在焊接过程中应合理选择规范，尽量控制合理的焊接热输入。
1-2、挖掘机结构件焊接材料、工艺方法及装备
1-2-1、焊接材料选择
挖掘机结构件焊接材料的选择要根据结构材料的化学成分、力学性能、焊接工艺性、使用工况、焊接件的形状复杂程度及刚性、现场焊接设备和环境等因素综合考虑。
具体的原则如下几方面：
（1）等强或低强度匹配原则，一般按照挖掘机结构件用钢的强度来选择相应强度等级的焊接材料，有时对受力情况复杂的焊接结构，也选用比母材强度等级低一级的焊接材料。
（2）选用低氢焊接材料，为了改善挖掘机结构件焊接接头的抗冷裂性能，要求采用低氢焊接材料，即焊条电弧焊采用低氢型焊条，二氧化碳气体保护焊焊丝要选择扩散氢含量低的焊丝，一般来说药芯焊丝的扩散氢含量高于实芯焊丝，所以优先考虑使用实芯焊丝。
（3）工作条件和使用性能，低温温工况使用的选用低温用钢焊接材料，受振动载荷和冲击载荷的要选用强度、塑性、韧性高的焊接材料。
（4）操作工艺性，根据焊缝空间位置选用适合平焊、立焊、仰焊以及全位置焊接材料[3]。
1-2-2、工艺方法及装备
选择焊接方法应兼顾焊接制造质量和生产效率，目前挖掘机结构件焊接普遍采用二氧化碳气体保护焊，采用自动或半自动二氧化碳气体保护焊工艺的占70%以上，有些结构件焊接生产为了提高效率还采用焊接专机、焊接机器人，目前大量焊接机器人工作站用于斗杆、铲斗、动臂以及履带架的焊接。
图1.挖掘机动臂机器人焊接工作站
2、挖掘机结构件焊接变形控制
挖掘机主要结构件都是箱型结构，使用钢板厚度大部分在4～40mm之间，板厚规格跨度非常大，相应所采用的焊接工艺参数变化范围较大，导致焊接热出入及焊接热温度场的不均匀。
因而如果在焊接过程中控制不当，焊接变形会很大，严重挖掘机结构件的加工质量以及整机的装配性。
2-1、焊接变形的主要形式及产生原因
挖掘机结构件的焊缝主要设计形式为对接焊缝和角焊缝，焊接变形主要为角变形、收缩变形，此外还有扭曲变形。
从宏观上来讲，在焊接材料及焊接方法一定的情况下，挖掘机结构件产生焊接变形的主要原因有：
（1）结构型式设计不当，焊接时容易发生变形；
（2）焊接接头的型式、焊缝布置不合理；
（3）控制焊接变形的工艺方法应用不当。
结构件焊接变形的根本原因是所产生的焊接残余应力的不均匀性，造成应力不均匀的原应主要是焊接过程中在构件区域内存在不均匀的温度场。
因此，控制焊接变形就必须控制焊接应力。
通常来讲，在焊接方法一定的情况下可以从以下两个方面进行考虑，一是将构件固定，阻止其变形，然后经过抛丸、整体热处理等后续工艺处理方法使应力释放；二是使结构件不受拘束而自由收缩，使释放应力后的工件尺寸达到设计要求。
挖掘机结构件的焊接变形，会影响生产工艺流程的正常进行，使结构件的外形尺寸和尺寸精度严重超差，焊后矫正焊接变形，使生产成本增加，还会增加机加工、装配等后续工序的难度，并且焊接变形还会降低结构的承载能力，会造成产品质量不稳定等诸多不良后果。
因此，根据焊接变形的不同形式，去控制和消除挖掘机结构件的焊接变形十分重要。
2-2、控制焊接变形的方法
控制焊接变形的方法很多，各种方法的具体应用要根据工件的结构形式、钢板厚度、焊接方法等具体情况决定。
通过实践证明，对挖掘机结构件而言，主要从控制焊接变形的工艺方法入手，通过以下控制焊接变形方法的应用或几种方法综合应用可以有效的控制结构件的焊接变形。
2-2-1、反变形法
以动臂为例进行说明，根据生产中已经发生的变形规律，预先把焊件人为地加工产生一个变形，使这个变形与焊后发生的变形方向相反而数值相等，这种方法称反变形法。
挖掘机结构件中的动臂和斗杆均属于细长形结构件，焊接变形主要是焊缝纵向收缩引起的。
通过对焊接生产中焊接变形的变形量大小的计算以及生产过程中现场验证，确定合适的反变形量，使焊接后的变形量正好与反变形量抵消，达到产品的设计要求。
对于理论计算焊缝纵向收缩量的大小可以参考以下计算公式：
△L=（k1×FH×L）/F[4]
式中：
△L—纵向收缩量，mm
k1—变形系数，与焊接方法及母材材料有关，其数值可由表1查取；
FH—焊接截面面积，mm2；
L—结构长度，mm；
F—构件截面积，mm2。
表3焊接结构件的变形系数值
焊接方法
CO2气保焊
埋弧焊
手工电弧焊
母材材质
低碳钢
低碳钢
奥氏体钢
变形系数k1
0.043
0.071～0.076
0.048～0.057
0.076
根据以上公式计算现代11吨挖掘机动臂的焊接收缩量如下：
△L=（k1×FH×L）/F
△L=（0.043×128×3700）/6400
△L=3.182
因此，在焊接点装过程中，在工装定位动臂前后两端的定位点间距要人为放大约3mm。
然后对放大长度的动臂进行施焊，焊后尺寸L的公差在1mm左右，完全满足了焊接件后续机加工的要求。
图2.挖掘机动臂焊接反变形量
2-2-2、刚性固定法
焊接前将易变形的工件加以固定来限制和减小焊接变形的方法称为刚性固定法。
特别是对结构形式复杂，焊缝设计不对称得构件，焊缝主要集中在工件的一侧时刚性固定法可以很好地控制焊接变形。
常见的方式是点焊拉筋，使用刚性轴，工装刚性制约以及依靠工件背对背互相制约变形的方法，都可以达到控制焊接变形的目的。
使用刚性固定法来控制焊接变形量现在已经普遍应用于挖掘机实际生产中，并取得了良好效果。
如图所示几个实例：
图3.挖掘机上平台中部机架背对背刚性固定法
图4.挖掘机上平台中部机架工装刚性固定法
2-2-3、制定合理的焊接顺序
焊接件的焊接顺序会给结构件焊接变形带来较大的影响，所以要针对不同的结构形式制定合理的焊接顺序。
合理的焊接顺序会使焊缝自由收缩，故要焊接收缩大的焊缝以及工作时受力大的焊缝。
以下是制定合理焊接顺序的原则：
（1）对称焊缝尽量采用对称焊接；
（2）不对称的焊缝先焊接短而小、焊缝少的一侧；
（3）对于长焊缝采取分段退焊法、中间分段退焊法、跳焊法以及交替焊法。
但是也要根据结构实际状况采取相应措施。
以下是挖掘机履带架的焊接顺序：
图5.挖掘机履带架焊接顺序
由于焊缝呈对称分布，故采用对成焊接：
上：
F-RH→S-R-RH→F-LH→S-R-LH→R-LH→S-F-LH→R-RH→S-F-RH
下：
R-RH→S-F-LH→R-LH→S-R-LH→F-LH→S-R-RH→F-RH→S-F-RH
2-2-4、多层多道焊接工艺次序和方向
多层多道焊可以提高焊缝金属的质量，特别是塑性，这是因为后层焊缝对前层焊缝具有热处理的作用，相当于对前层焊缝进行了一次正火处理，因而改善了二次组织采用多层多道焊可以有效减少热输入，从而有效减小了热变形量。
而多层多到汉时正确的焊接次序及方向可以抵消焊接结构整体产生的应力及应变。
在动臂箱体焊接过程中，多层多道焊接次序为：
1→2→3→4→5→6→7→8→9→10→11→12
如下图所示：
图6.动臂箱体多层多道焊接次序及方向
3、结论
结构件是挖掘机的骨架，挖掘机结构件的焊接质量直接决定挖掘机整机的装配性能和使用性能，以及挖掘机在服役期间发生故障的几率。
挖掘机生产企业在采用先进设备手段的同时努力从在焊接工艺方面来提高结构件的质量。
本文是对本人在5年工作中对挖掘机结构件工艺的人实际研究经验的总结，概括起来有以下几点：
（1）挖掘机结构件使用材料的强度等级、钢材的碳当量CE较低，材料的焊接性良好；
（2）挖掘机结构件焊接材料选择遵循等强或低强度匹配，尽量采用工艺性好的材料；
（3）焊接变形对挖掘机结构件质量影响很大，可以通过刚性固定法、反变形法、制定合理焊接顺序及采用多层多道焊接来有效控制焊接变形，保证结构件质量，提高挖掘机整机的可靠性及使用寿命。
参考文献
[1]周振丰.焊接冶金学.北京：
机械工业出版社，1993
[2]曹继明.用碳当量确定高强钢的预热温度.北京：
焊接，1995
[3]刘翠荣.焊接结构.太原：
太原科技大学，2003
[4]范存超，李祥忠，崔继永.小型挖掘机结构件焊接变形的控制.山东临工工程机械有限公司.工程机械，2008
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