超高強(qiáng)鋼起重臂焊接工藝及變形控制

四川長(zhǎng)江工程起重機(jī)有限責(zé)任公司 （瀘州 646006） 曾芳英

1.概述

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入突飛猛進(jìn)的發(fā)展期，作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展基石的機(jī)械工業(yè)也隨之取得了飛速發(fā)展。市場(chǎng)對(duì)現(xiàn)代工程機(jī)械及冶金礦山機(jī)械、起重機(jī)械等焊接結(jié)構(gòu)機(jī)械裝備要求日益大型化、輕量化。然而，我公司缺乏前瞻性技術(shù)和產(chǎn)品研究，產(chǎn)品始終處于同行業(yè)的同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)中，盈利能力不足。迫在眉睫需要研究單缸插銷式起重機(jī)吊臂伸縮技術(shù)，達(dá)到傳統(tǒng)雙油缸鋼絲繩伸縮無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊功能。為此，對(duì)大噸位起重機(jī)中關(guān)鍵受力構(gòu)件起重臂要求高，鋼材不僅要具有良好的綜合力學(xué)性能，而且對(duì)于在特殊條件下使用的鋼種，還要求其具有相應(yīng)的特殊性能，比如耐沖擊等；同時(shí)要求鋼材應(yīng)具有良好的加工工藝性能，如焊接性。此時(shí)，普通碳鋼已經(jīng)不能滿足結(jié)構(gòu)性能需要，所以材料選用瑞典奧克德?。⊿SAB）鋼鐵公司生產(chǎn)的超高強(qiáng)鋼WELDOX960。但是，超高強(qiáng)鋼WELDOX960如何合理選擇焊接參數(shù)和焊接變形控制技術(shù)對(duì)我公司來(lái)說(shuō)還是空白。因此為保證新產(chǎn)品順利研發(fā)，筆者在樣機(jī)生產(chǎn)前進(jìn)行了大量的焊接工藝試驗(yàn)研究。

2.產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

我公司某新產(chǎn)品單杠插銷起重機(jī)吊臂筒體結(jié)構(gòu)如圖1所示，上、下槽板分別選瑞典超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼WELDOX960的6mm、7mm厚的鋼板焊接而成，其中某最長(zhǎng)節(jié)臂115 000mm。

技術(shù)要求如下：

（1）筒體上平面、左右側(cè)面的平面度≤1mm/1000mm。

（2）左右側(cè)面的平行度≤1.5mm/1000mm。

（3）左右側(cè)面對(duì)上平面在任何截面上的垂直度≤1.5mm/1000mm。

（4）主焊縫全長(zhǎng)探傷：UT-Ⅱ；當(dāng)超聲波檢測(cè)條件不足時(shí)可用MT-Ⅱ磁粉探傷。

圖1

3.工藝分析

WELDOX960高強(qiáng)鋼屬于調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)用鋼，其屈服強(qiáng)度大于960MPa。廠家評(píng)定該鋼種具有良好的冷彎性能和低溫沖擊韌性，優(yōu)異的力學(xué)性能和焊接性。特別適合我公司開(kāi)發(fā)某單缸插銷式起重機(jī)吊臂的要求，其力學(xué)性能和化學(xué)成分如表1、表2所示。但是如此超高強(qiáng)度的鋼材在我公司首次使用，工藝分析認(rèn)為：根據(jù)鋼的合金化原則，一般隨著低合金鋼的強(qiáng)度不斷提高，其化學(xué)成分中的碳及合金元素也會(huì)相應(yīng)增多，絕大多數(shù)焊接過(guò)程快速的局部加熱和冷卻，在一定的熱循環(huán)作用下，使焊縫的本身和近縫區(qū)發(fā)生了一系列金相組織變化，因而焊縫接頭部位不可避免地將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和變形。焊接應(yīng)力和變形不但可能引起工藝缺陷，而且在一定條件下將影響結(jié)構(gòu)件的承載能力，諸如強(qiáng)度、剛度和受壓穩(wěn)定性。除此以外還將影響到結(jié)構(gòu)的加工精度和尺寸穩(wěn)定性，尤其在塑性較低的低合金超高強(qiáng)度鋼的焊接過(guò)程中更為突出。

另外，對(duì)于我公司新開(kāi)發(fā)的某起重機(jī)吊臂，為滿足在受力最大工況下各危險(xiǎn)截面的安全性和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化電控技術(shù)的可靠性，起重臂上下對(duì)接槽板焊縫要求全長(zhǎng)無(wú)損檢測(cè)超聲波探傷達(dá)UT-Ⅱ級(jí)，每節(jié)起重臂截面幾何尺寸、幾何公差要求嚴(yán)格。因此對(duì)超高強(qiáng)鋼WELDOX960焊接技術(shù)中如何合理的選擇焊接參數(shù)和焊接變形控制，成為研究攻關(guān)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

表1 WELDOX960的力學(xué)性能

表2 WELDOX960鋼材的化學(xué)成分

4.焊接工藝方案的確定

（1）理論計(jì)算 依據(jù)WELDOX960鋼化學(xué)成分，其碳當(dāng)量CET=0.53，根據(jù)碳當(dāng)量初步判定，WELDOX960鋼焊前需要預(yù)熱處理的必要性大。否則，對(duì)接焊縫和根部焊道容易開(kāi)裂。

（2）超高強(qiáng)鋼焊接材料選擇的一般原則 對(duì)于超高強(qiáng)鋼，由于強(qiáng)度提高，鋼材塑韌性不斷下降，如果仍采用等強(qiáng)原則，選用高組配的焊接接頭，焊縫的韌性將近一步降低，并可能導(dǎo)致由焊縫金屬韌性不足而引起低應(yīng)力脆性破壞。所以超高強(qiáng)鋼焊接宜采用等韌性原則，選擇焊縫韌性不低于基體金屬的低匹配焊接接頭比較合理。采用低強(qiáng)的焊縫并不總是意味著焊接接頭的強(qiáng)度一定低于母材，只要焊縫金屬的強(qiáng)度不低于母材的87%，仍可保證接頭與母材等強(qiáng)。所以WELDOX960高強(qiáng)鋼焊接材料的選擇在首先滿足焊接接頭力學(xué)性能的前提下，選用瑞士OERUKON公司生產(chǎn)的實(shí)芯焊絲E－FK1000，φ1.2mm。這樣焊接材料與鋼板構(gòu)成了低強(qiáng)度匹配。

（3）焊接工藝方法選擇 由于調(diào)質(zhì)狀態(tài)下低合金超高強(qiáng)鋼WELDOX960，只要加熱溫度超過(guò)了它的回火溫度后性能就會(huì)發(fā)生變化，所以選用熱量集中、熱影響區(qū)較窄的80%Ar+20%CO2氣體保護(hù)半自動(dòng)打底焊，80%Ar+20%CO2氣體保護(hù)全自動(dòng)焊填充蓋面焊等焊接方法代替氣焊和焊條電弧焊，可以減少薄板起重臂焊接變形。

（4）焊接參數(shù)確定 對(duì)于選定的鋼種和焊接方法來(lái)說(shuō)，焊接熱影響區(qū)的組織主要取決于焊接參數(shù)，也就是熱輸入，因此合理選擇熱輸入十分重要。實(shí)踐證明，過(guò)小的熱輸入造成淬硬組織并易產(chǎn)生裂紋，過(guò)大則易造成晶粒粗大和脆化，降低材料的韌性，因此應(yīng)該確定兼顧兩者的冷卻速度的范圍。為了保證WELDOX960鋼的熱影響區(qū)缺口韌性，當(dāng)板厚≤12mm時(shí)，最大熱輸入為1.7kJ/mm。通過(guò)系列試驗(yàn)，選定的焊接參數(shù)如表3所示。

表3 焊接參數(shù)

5.焊接變形控制

焊接變形控制是一個(gè)復(fù)雜的、綜合的過(guò)程，與整個(gè)結(jié)構(gòu)形式、整體安裝順序、焊接工藝措施等緊密相關(guān)。筆者在試件和樣機(jī)制作過(guò)程中認(rèn)真分析，不斷改進(jìn)，制定了控制焊接變形的措施。

（1）合理地選擇主焊縫的尺寸和形式 焊縫尺寸直接關(guān)系到焊接工作量和焊接變形的大小，焊縫尺寸大，不但焊接量大，而且焊接變形也大。因此，在按GB/T3811—1983《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用許用應(yīng)力法在受力最大工況下對(duì)各危險(xiǎn)截面受力狀況進(jìn)行全面計(jì)算分析，在首先滿足結(jié)構(gòu)使用性能的前提下，把圖2a所示的起重臂上、下槽板主焊縫焊接接頭形式改為圖2b，去除了全長(zhǎng)主焊縫墊板，雙邊V形坡口變?yōu)閱芜匳形坡口，這樣材料、工序、焊接工作量及焊后矯正工作均大大減少。

圖2

（2）合理的安排主焊縫的位置 起重機(jī)吊臂屬于長(zhǎng)度長(zhǎng)、寬度窄的柱類構(gòu)件，如果主焊縫盡可能對(duì)稱于截面中性軸，或者使主焊縫接近中性軸，這對(duì)減少起重臂的撓曲變形有良好的效果。為此，根據(jù)工廠現(xiàn)有設(shè)備能力，計(jì)算折彎?rùn)C(jī)成形上、下主槽板極限高度尺寸，選擇一組既能保證彎曲工藝性，又能接近中性軸的上、下槽板高度尺寸。

（3）剛性固定 由于超高強(qiáng)鋼WELDOX960起重臂σs=960MPa，剛度太大，采用反變形法預(yù)防構(gòu)件的撓曲變形困難，所以在試驗(yàn)過(guò)程中分別采取了兩種剛性固定法來(lái)防止和減少角變形和主焊縫塌陷、波浪變形等焊接缺陷。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采取圖3a所示剛性固定法，在起重臂上、下槽板組裝成筒體后，操作者鉆進(jìn)筒體沿起重臂縱向間距1.5～2m支撐絲杠。焊后支撐的部位基本能保證產(chǎn)品幾何尺寸，通過(guò)手工和機(jī)械等方法矯形后能保證產(chǎn)品質(zhì)量。采取圖3b所示起重臂全長(zhǎng)用模芯剛性支撐，可將起重臂幾何尺寸控制在接近公差范圍內(nèi)，矯形工作量小。但是模芯調(diào)節(jié)范圍有限，由于不同截面需要不同模芯，成本高，占地空間大，適合大批量工位生產(chǎn)，所以采取圖3a所示剛性固定法經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，操作方便。

圖3

（4）預(yù)熱溫度的確定 對(duì)低碳調(diào)質(zhì)鋼WELDOX960來(lái)說(shuō)，預(yù)熱的目的主要就是為了防止冷裂，對(duì)于改善熱影響區(qū)的性能意義并不大，因此為了避免盲目的提高預(yù)熱溫度，依據(jù)當(dāng)量板厚的選擇原則，分別按GB4675.1—1984《斜Y形坡口裂紋試驗(yàn)方法》和GB4675.2—1984《搭接接頭（CTS）焊接裂紋試驗(yàn)方法》進(jìn)行焊接和加工試件，焊完后試驗(yàn)經(jīng)48h后進(jìn)行檢測(cè)和解剖。根據(jù)表面及斷面裂紋率出現(xiàn)的情況，確定了WELDOX960鋼板≤12mm時(shí)最低預(yù)熱溫度為75℃。如果環(huán)境濕度大，或者溫度低于5℃，最低預(yù)熱溫度應(yīng)再增加25℃左右。

6.焊后檢驗(yàn)

樣機(jī)按以上焊接工藝和預(yù)防焊接變形的措施生產(chǎn)，焊后經(jīng)專業(yè)檢驗(yàn)人員根據(jù)GB/T11345—1989《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)》100%無(wú)損超聲波探傷，三坐標(biāo)儀檢測(cè)幾何尺寸、幾何公差均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

7.結(jié)語(yǔ)

在工程機(jī)械中，由于超高強(qiáng)度鋼將用于重要結(jié)構(gòu)處，承受較大的載荷，因此焊接質(zhì)量決定著整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，影響起重機(jī)的使用壽命。通過(guò)理論分析和實(shí)踐研究表明，設(shè)計(jì)合理的起重機(jī)吊臂焊接接頭形式，采取合理的焊接工藝措施，可保證起重臂整體質(zhì)量。