工程機(jī)械行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，挖掘機(jī)行業(yè)是工程機(jī)械行業(yè)的主要組成部分，近年來(lái)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展給挖掘機(jī)制造提供了很大的發(fā)展空間，產(chǎn)品的品種、產(chǎn)量均有大幅度提高。挖掘機(jī)被廣泛應(yīng)用于公路、橋梁、建筑、養(yǎng)殖池等工程的施工。挖掘機(jī)械一般由動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、行走裝置和工作裝置組成。挖掘機(jī)主要部件如上車(chē)平臺(tái)、履帶架、動(dòng)臂、斗桿、挖掘機(jī)挖斗均采用焊接結(jié)構(gòu)。隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，先進(jìn)焊接技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，焊接結(jié)構(gòu)在挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)中占的比重越來(lái)越大，其中有板材的焊接件，也有鑄造件、鍛造件和板材的混合焊接件。無(wú)論從焊接零件的數(shù)量還是按零部件的重量計(jì)算，焊接結(jié)構(gòu)件所占的比例一般都在65%以上，可見(jiàn)焊接工藝在挖掘機(jī)整機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中所占有的重要地位。

本人從2005年進(jìn)入挖掘機(jī)生產(chǎn)行業(yè)開(kāi)始，先后就現(xiàn)代系列挖掘機(jī)和特雷克斯系列小挖的結(jié)構(gòu)件焊接工藝結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際作了大量基礎(chǔ)性研究，對(duì)下料方法、折彎要求、工裝制作及定位、點(diǎn)焊及反變形設(shè)計(jì)、焊接規(guī)范參數(shù)、焊接順序、校形等技術(shù)取得了初步經(jīng)驗(yàn)，積累了必要的數(shù)據(jù)。

本文即對(duì)挖掘機(jī)重要結(jié)構(gòu)件焊接制作工藝過(guò)程研究所取得的主要經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的總結(jié)。

1-1、挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件用材料及其焊接性

目前挖掘機(jī)焊接結(jié)構(gòu)件所采用的鋼材大部分為低合金鋼，其中Q345(16Mn)的應(yīng)用最廣泛，其它還包括國(guó)產(chǎn)的Q235、Q295、HQ60、HQ100等日本產(chǎn)SS400、SM490等，美國(guó)T-1，德國(guó)STE690。下表是Q345的化學(xué)成分及力學(xué)特性：

表1. Q345的化學(xué)成分及力學(xué)特性

鋼的焊接性是指鋼對(duì)焊接加工的適應(yīng)性，即在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)良焊接接頭的難易程度（工藝焊接性），以及材料在施工條件下，焊接成按規(guī)定要求設(shè)計(jì)的構(gòu)件，并滿足預(yù)先服役要求的能力（使用焊接性）[1]。焊接性受母材、焊接方法、構(gòu)件類(lèi)型及使用要求四個(gè)方面因素的影響。工藝焊接性是指材料經(jīng)焊接加工后形成完整焊接接頭的能力，通常以材料對(duì)形成諸如裂紋、氣孔等焊接缺陷敏感性的大小，以及所采取的工藝措施的復(fù)雜程度來(lái)比較工藝焊接性的優(yōu)劣。使用焊接性是指材料經(jīng)焊接加工所形成的焊接接頭能滿足產(chǎn)品制造技術(shù)條件及安全服役要求的程度，結(jié)構(gòu)及其所采用的材料不同，具體要求和指標(biāo)也不同。

1-1-1、焊接冷裂紋

由于裂紋是最危險(xiǎn)的焊接缺陷，生產(chǎn)中常常把焊接裂紋作為重要的考核項(xiàng)目，對(duì)低合金鋼而言，熱影響區(qū)淬硬傾向大的鋼因急冷易產(chǎn)生焊接冷裂紋，嚴(yán)重降低接頭的塑形。決定這類(lèi)鋼的熱影響區(qū)淬硬性的主要因素之一是碳當(dāng)量CE。碳當(dāng)量CE計(jì)算公式為：

CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15[2]

經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)CE＜0.4時(shí)，鋼材的淬硬傾向不大，焊接性?xún)?yōu)良，焊接時(shí)不預(yù)熱；當(dāng)CE=0.4%～0.6%時(shí)，鋼材的淬硬傾向增大，焊接時(shí)要采取預(yù)熱，控制焊接工藝參數(shù)、緩冷或消除擴(kuò)散氫等工藝措施；當(dāng)CE＞0.6%時(shí)，鋼材的淬硬傾向強(qiáng)，屬于難焊的鋼材，需要采取較高的余熱溫度和嚴(yán)格的工藝措施。挖掘機(jī)主體用鋼Q345的碳當(dāng)量計(jì)算過(guò)程為：CE=0.02+1.6/6+0.15/5=0.32＜0.4，故挖掘機(jī)主體結(jié)構(gòu)部分焊接性較好，焊接冷裂紋敏感性小，無(wú)需采取預(yù)熱和緩冷等工藝措施。

1-1-2、沖擊韌性

母材和焊接區(qū)如有如有足夠的強(qiáng)度、塑形和缺口韌性，則表明焊接結(jié)構(gòu)具有可靠的使用性能。對(duì)低溫下服役的挖掘機(jī)焊接結(jié)構(gòu)件，其V型缺口沖擊值的下限值要達(dá)到所規(guī)定的溫度韌性保證值，以防止結(jié)構(gòu)在載荷下的脆性破毀。特雷克斯系列挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件主體材料Q345D的焊接接頭沖擊試驗(yàn)值如下表：

表2.Q345D鋼焊接接頭沖擊韌性

焊接區(qū)特別是焊接過(guò)熱區(qū)的的沖擊韌性，由于熱輸入影響會(huì)使其下降。因此在焊接過(guò)程中應(yīng)合理選擇規(guī)范，盡量控制合理的焊接熱輸入。

1-2、挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件焊接材料、工藝方法及裝備

1-2-1、焊接材料選擇

挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件焊接材料的選擇要根據(jù)結(jié)構(gòu)材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、焊接工藝性、使用工況、焊接件的形狀復(fù)雜程度及剛性、現(xiàn)場(chǎng)焊接設(shè)備和環(huán)境等因素綜合考慮。具體的原則如下幾方面：

（1）等強(qiáng)或低強(qiáng)度匹配原則，一般按照挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件用鋼的強(qiáng)度來(lái)選擇相應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)的焊接材料，有時(shí)對(duì)受力情況復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，也選用比母材強(qiáng)度等級(jí)低一級(jí)的焊接材料。

（2）選用低氫焊接材料，為了改善挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件焊接接頭的抗冷裂性能，要求采用低氫焊接材料，即焊條電弧焊采用低氫型焊條，二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊絲要選擇擴(kuò)散氫含量低的焊絲，一般來(lái)說(shuō)藥芯焊絲的擴(kuò)散氫含量高于實(shí)芯焊絲，所以?xún)?yōu)先考慮使用實(shí)芯焊絲。

（3）工作條件和使用性能，低溫溫工況使用的選用低溫用鋼焊接材料，受振動(dòng)載荷和沖擊載荷的要選用強(qiáng)度、塑性、韌性高的焊接材料。

（4）操作工藝性，根據(jù)焊縫空間位置選用適合平焊、立焊、仰焊以及全位置焊接材料[3]。

1-2-2、工藝方法及裝備

選擇焊接方法應(yīng)兼顧焊接制造質(zhì)量和生產(chǎn)效率，目前挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件焊接普遍采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，采用自動(dòng)或半自動(dòng)二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊工藝的占70%以上，有些結(jié)構(gòu)件焊接生產(chǎn)為了提高效率還采用焊接專(zhuān)機(jī)、焊接機(jī)器人，目前大量焊接機(jī)器人工作站用于斗桿、鏟斗、動(dòng)臂以及履帶架的焊接。

2、挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件焊接變形控制

挖掘機(jī)主要結(jié)構(gòu)件都是箱型結(jié)構(gòu)，使用鋼板厚度大部分在4～40mm之間，板厚規(guī)格跨度非常大，相應(yīng)所采用的焊接工藝參數(shù)變化范圍較大，導(dǎo)致焊接熱出入及焊接熱溫度場(chǎng)的不均勻。因而如果在焊接過(guò)程中控制不當(dāng)，焊接變形會(huì)很大，嚴(yán)重挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工質(zhì)量以及整機(jī)的裝配性。

2-1、焊接變形的主要形式及產(chǎn)生原因

挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件的焊縫主要設(shè)計(jì)形式為對(duì)接焊縫和角焊縫，焊接變形主要為角變形、收縮變形，此外還有扭曲變形。

從宏觀上來(lái)講，在焊接材料及焊接方法一定的情況下，挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生焊接變形的主要原因有：

（1）結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)不當(dāng)，焊接時(shí)容易發(fā)生變形；

（2）焊接接頭的型式、焊縫布置不合理；

（3）控制焊接變形的工藝方法應(yīng)用不當(dāng)。

結(jié)構(gòu)件焊接變形的根本原因是所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力的不均勻性，造成應(yīng)力不均勻的原應(yīng)主要是焊接過(guò)程中在構(gòu)件區(qū)域內(nèi)存在不均勻的溫度場(chǎng)。因此，控制焊接變形就必須控制焊接應(yīng)力。通常來(lái)講，在焊接方法一定的情況下可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，一是將構(gòu)件固定，阻止其變形，然后經(jīng)過(guò)拋丸、整體熱處理等后續(xù)工藝處理方法使應(yīng)力釋放；二是使結(jié)構(gòu)件不受拘束而自由收縮，使釋放應(yīng)力后的工件尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件的焊接變形，會(huì)影響生產(chǎn)工藝流程的正常進(jìn)行，使結(jié)構(gòu)件的外形尺寸和尺寸精度嚴(yán)重超差，焊后矯正焊接變形，使生產(chǎn)成本增加，還會(huì)增加機(jī)加工、裝配等后續(xù)工序的難度，并且焊接變形還會(huì)降低結(jié)構(gòu)的承載能力，會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等諸多不良后果。因此，根據(jù)焊接變形的不同形式，去控制和消除挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件的焊接變形十分重要。

2-2、控制焊接變形的方法

控制焊接變形的方法很多，各種方法的具體應(yīng)用要根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)形式、鋼板厚度、焊接方法等具體情況決定。通過(guò)實(shí)踐證明，對(duì)挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件而言，主要從控制焊接變形的工藝方法入手，通過(guò)以下控制焊接變形方法的應(yīng)用或幾種方法綜合應(yīng)用可以有效的控制結(jié)構(gòu)件的焊接變形。

2-2-1、反變形法

    以動(dòng)臂為例進(jìn)行說(shuō)明，根據(jù)生產(chǎn)中已經(jīng)發(fā)生的變形規(guī)律，預(yù)先把焊件人為地加工產(chǎn)生一個(gè)變形，使這個(gè)變形與焊后發(fā)生的變形方向相反而數(shù)值相等，這種方法稱(chēng)反變形法。挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件中的動(dòng)臂和斗桿均屬于細(xì)長(zhǎng)形結(jié)構(gòu)件，焊接變形主要是焊縫縱向收縮引起的。通過(guò)對(duì)焊接生產(chǎn)中焊接變形的變形量大小的計(jì)算以及生產(chǎn)過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，確定合適的反變形量，使焊接后的變形量正好與反變形量抵消，達(dá)到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。對(duì)于理論計(jì)算焊縫縱向收縮量的大小可以參考以下計(jì)算公式：

△   L=（k1×FH×L）/F[4]

式中：△L—縱向收縮量，mm

k1—變形系數(shù)，與焊接方法及母材材料有關(guān)，其數(shù)值可由表1查��；

FH—焊接截面面積，mm2；

L—結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，mm；

F—構(gòu)件截面積，mm2。

表3焊接結(jié)構(gòu)件的變形系數(shù)值

根據(jù)以上公式計(jì)算現(xiàn)代11噸挖掘機(jī)動(dòng)臂的焊接收縮量如下：

△   L=（k1×FH×L）/F

△   L=（0.043×128×3700）/6400

△   L=3.182

因此，在焊接點(diǎn)裝過(guò)程中，在工裝定位動(dòng)臂前后兩端的定位點(diǎn)間距要人為放大約3mm。然后對(duì)放大長(zhǎng)度的動(dòng)臂進(jìn)行施焊，焊后尺寸L的公差在1mm左右，完全滿足了焊接件后續(xù)機(jī)加工的要求。

2-2-2、剛性固定法

焊接前將易變形的工件加以固定來(lái)限制和減小焊接變形的方法稱(chēng)為剛性固定法。特別是對(duì)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，焊縫設(shè)計(jì)不對(duì)稱(chēng)得構(gòu)件，焊縫主要集中在工件的一側(cè)時(shí)剛性固定法可以很好地控制焊接變形。常見(jiàn)的方式是點(diǎn)焊拉筋，使用剛性軸，工裝剛性制約以及依靠工件背對(duì)背互相制約變形的方法，都可以達(dá)到控制焊接變形的目的。

使用剛性固定法來(lái)控制焊接變形量現(xiàn)在已經(jīng)普遍應(yīng)用于挖掘機(jī)實(shí)際生產(chǎn)中，并取得了良好效果。

2-2-3、制定合理的焊接順序

焊接件的焊接順序會(huì)給結(jié)構(gòu)件焊接變形帶來(lái)較大的影響，所以要針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)形式制定合理的焊接順序。合理的焊接順序會(huì)使焊縫自由收縮，故要焊接收縮大的焊縫以及工作時(shí)受力大的焊縫。以下是制定合理焊接順序的原則：

（1）對(duì)稱(chēng)焊縫盡量采用對(duì)稱(chēng)焊接；

（2）不對(duì)稱(chēng)的焊縫先焊接短而小、焊縫少的一側(cè)；

（3）對(duì)于長(zhǎng)焊縫采取分段退焊法、中間分段退焊法、跳焊法以及交替焊法。

但是也要根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況采取相應(yīng)措施。以下是挖掘機(jī)履帶架的焊接順序：

由于焊縫呈對(duì)稱(chēng)分布，故采用對(duì)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、多層多道焊接工藝次序和方向

多層多道焊可以提高焊縫金屬的質(zhì)量，特別是塑性，這是因?yàn)楹髮雍缚p對(duì)前層焊縫具有熱處理的作用，相當(dāng)于對(duì)前層焊縫進(jìn)行了一次正火處理，因而改善了二次組織采用多層多道焊可以有效減少熱輸入，從而有效減小了熱變形量。而多層多到漢時(shí)正確的焊接次序及方向可以抵消焊接結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生的應(yīng)力及應(yīng)變。在動(dòng)臂箱體焊接過(guò)程中，多層多道焊接次序?yàn)椋?→2→3→4→5→6→7→8→9→10→11→12

3、結(jié)論

結(jié)構(gòu)件是挖掘機(jī)的骨架，挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量直接決定挖掘機(jī)整機(jī)的裝配性能和使用性能，以及挖掘機(jī)在服役期間發(fā)生故障的幾率。挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)在采用先進(jìn)設(shè)備手段的同時(shí)努力從在焊接工藝方面來(lái)提高結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量。本文是對(duì)本人在5年工作中對(duì)挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件工藝的人實(shí)際研究經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，概括起來(lái)有以下幾點(diǎn)：

（1）挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件使用材料的強(qiáng)度等級(jí)、鋼材的碳當(dāng)量CE較低，材料的焊接性良好；

（2）挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件焊接材料選擇遵循等強(qiáng)或低強(qiáng)度匹配，盡量采用工藝性好的材料；

（3）焊接變形對(duì)挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件質(zhì)量影響很大，可以通過(guò)剛性固定法、反變形法、制定合理焊接順序及采用多層多道焊接來(lái)有效控制焊接變形，保證結(jié)構(gòu)件質(zhì)量，提高挖掘機(jī)整機(jī)的可靠性及使用壽命。

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