新型推土機(jī)機(jī)架焊縫缺陷分析及優(yōu)化

李德明　張民　雷寧寧　王彩鳳

新型推土機(jī)機(jī)架焊縫缺陷分析及優(yōu)化

李德明張民雷寧寧王彩鳳

【摘要】通過對新型鏟運(yùn)機(jī)械——靜液壓推土機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件機(jī)架在制造過程中焊接缺陷的分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)的實(shí)施驗(yàn)證，從工藝的角度提出一種解決焊縫質(zhì)量缺陷的方案。

隨著流體傳動(dòng)與控制技術(shù)的發(fā)展，并逐漸應(yīng)用到工程機(jī)械產(chǎn)品中，提高了產(chǎn)品的性能，產(chǎn)品的控制形式逐漸由機(jī)械-液力式向全電液控制模式轉(zhuǎn)變，其性能的可靠性給液壓系統(tǒng)提出了更高的要求。在此技術(shù)升級的過程中，在鏟運(yùn)工程機(jī)械大類中推土機(jī)率先實(shí)現(xiàn)了靜液壓技術(shù)升級換代，由于靜液壓推土機(jī)不同于常規(guī)推土機(jī)結(jié)構(gòu)，液壓系統(tǒng)是獨(dú)立的模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)組成，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量至關(guān)重要，尤其是機(jī)架作為主機(jī)最重要的受力承載主體，后面板關(guān)鍵焊縫質(zhì)量一直是困擾產(chǎn)品質(zhì)量的難題，至今未能徹底解決。

1. 焊縫結(jié)構(gòu)

機(jī)架為整機(jī)各部件的裝配平臺和承載主體，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要由左右履帶梁、機(jī)架前體、機(jī)架后體和翼板合件等四大部分組成，采取6～40mm不同板厚Q460C材質(zhì)焊接而成。由于機(jī)架尺寸較大，長寬4m×2.3m，考慮靜液壓推土機(jī)是公司戰(zhàn)略產(chǎn)品，量小且未定型，盡量減少專用型工藝裝備的投入，組對采取三維柔性工裝進(jìn)行剛性組對。該通用工裝主要由多維平臺、定位裝置、縮進(jìn)裝置、調(diào)整裝置、測量裝置和匹配設(shè)施等幾部分構(gòu)成，通過粗加工、精加工及打磨拋光等工序，平臺平面度達(dá)到0.15/1000mm，孔位置精度達(dá)到0.1/1000mm，配合支撐角鐵、U型、L型方箱定位孔和定位槽使用，各部件裝卸方便，維護(hù)簡便，尺寸調(diào)整便捷、靈活，通用性高，定位平尺、定位角尺、快速鎖緊銷、夾緊裝置以及調(diào)高器等可以對組對各物料進(jìn)行精確快捷的定位，能夠確保機(jī)架的組對精度。同時(shí)采取人工地?cái)偸胶附?，焊接過程中考慮焊接工藝順序和翻轉(zhuǎn)變位困難的現(xiàn)實(shí)問題，我們采取就焊縫位置的全方位焊接形式，其中后面板與主體立板的關(guān)鍵焊縫結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1A為兩條長至單V形坡口焊縫，焊縫質(zhì)量一直不符合公司Q/ STB12.606—2000一級焊縫的設(shè)計(jì)要求。

2. 焊縫缺陷分析

圖1　機(jī)架結(jié)構(gòu)1.履帶梁（左） 2.機(jī)架前體　3.履帶梁（右） 4.翼板合件　5.機(jī)架后體

通過對機(jī)架焊縫設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，此處為28mm厚板材L型對接單35°V形坡口形式，焊接過程中采取月牙形擺幅的立向上CO2氣保焊接方法，采用的是YD －500松下焊機(jī)，f1.2mm ER50 －6某知名品牌鍍銅焊絲。焊接電流：打底140～180A，填充280～320A，擺幅為5～15mm，擺寬為2～3mm，焊后采取UT進(jìn)行探傷，總是出現(xiàn)坡口下19～24mm

處未熔合現(xiàn)象。

通過對焊縫結(jié)構(gòu)形式采取試板進(jìn)行多次焊接工藝實(shí)操，發(fā)現(xiàn)上述焊縫質(zhì)量問題同樣存在，對焊后試板采用線切割進(jìn)行15mm間隔焊縫剖切，經(jīng)過簡單的磨削和拋光處理，發(fā)現(xiàn)焊縫熔合區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)斷續(xù)線性未熔合缺陷。

回顧上述操作過程，查閱相關(guān)焊接資料，通過焊接理論模擬，發(fā)現(xiàn)在常用500A CO2氣體保護(hù)焊焊槍，φ22mm、干伸長在12～15mm，組對間隙為1mm的單35°V形坡口焊接的過程中，為了保證電弧的燃燒最小空間f6mm，經(jīng)過理論計(jì)算所得到的焊縫熔深極限范圍即為19～24mm（見圖2），也印證了UT探傷焊接缺陷的現(xiàn)象。通過對焊縫缺陷分析，我們認(rèn)為后橋焊縫35°坡口較小，焊槍擺動(dòng)受限，根部電弧無法燃燒，是導(dǎo)致焊接時(shí)出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象的主要原因。

3. 工藝改進(jìn)

(1)工藝結(jié)構(gòu)優(yōu)化 結(jié)合上述焊縫質(zhì)量問題，經(jīng)技術(shù)人員研究采取雙V形坡口代替原單V形坡口，組對間隙由原1mm調(diào)整為2～3mm；優(yōu)化工藝流程，設(shè)置后橋合件121-30-17000V030，同時(shí)在組焊過程中采取高精度的工藝筋進(jìn)行剛性固定，防止工件的焊接變形，并針對工件較大立焊實(shí)施難度大的問題，采取鋸齒形運(yùn)條法和圓圈形運(yùn)條法兩種平焊方式進(jìn)行工藝試驗(yàn)，如圖3所示。焊接電流：打底180～200A，填充蓋面300～340A，焊縫由六層調(diào)整為五層焊接。通過對試板焊接質(zhì)量檢測，完全滿足KES標(biāo)準(zhǔn)精級焊縫的要求，同時(shí)設(shè)置后橋合件方便組焊和后續(xù)牽引架安裝位置的機(jī)械加工。

并通過對UT探傷合格的試板進(jìn)行焊縫熔合區(qū)力學(xué)性能的檢測，其結(jié)果如附表所示。同時(shí)對試樣斷口進(jìn)行金相組織觀察發(fā)現(xiàn)斷口韌窩形貌較明顯且較深，說明其焊接接頭具有良好的韌性和拉伸性能，完全符合Q460C板材和ER50－6焊絲焊接性的要求。

由于焊接接頭的組織對其性能起到至關(guān)重要的影響，所以針對母材、焊縫熔合區(qū)、熱影響區(qū)三部分進(jìn)行了金相檢測，由圖4可以看出，母材組織為典型的奧氏體組織。本次焊接由于沒有采取預(yù)熱措施，故熔池冷卻速度快，焊縫形成晶粒細(xì)小的針狀鐵素體及下貝氏體組織，該組織的形成使焊縫具有較高的強(qiáng)韌性。熱影響區(qū)雖然是母材部分，但受熱循環(huán)的影響產(chǎn)生了粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)，使它發(fā)生了與母材原始組織的性能不同的變化，使其性能遠(yuǎn)不如母材甚至焊縫，是焊接接頭最薄弱的環(huán)節(jié)。在中等速冷卻的條件下形成晶粒細(xì)小均勻的鐵素體和貝氏體組織，回火索氏體組織的含量比較少，相當(dāng)于熱處理的正火組織，保持了該區(qū)良好的力學(xué)性能。

圖2　焊接工藝

圖3　工藝結(jié)構(gòu)改進(jìn)

焊接接頭力學(xué)性能結(jié)果

(2)工藝設(shè)備改進(jìn) 焊縫為兩條雙V形直焊縫，為實(shí)現(xiàn)對稱施焊和焊縫最舒適的船型焊接，我

們把該產(chǎn)品焊接由人工地?cái)偸胶附诱{(diào)整至SD16常規(guī)推土機(jī)雙槍機(jī)器人作業(yè)單元進(jìn)行工藝試驗(yàn)，采取后橋合件上行走電動(dòng)機(jī)安裝孔作為頭尾架定位旋轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)全方位最佳姿態(tài)焊接。通過多批次試驗(yàn)驗(yàn)證和探傷檢驗(yàn)結(jié)果表明，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，頭尾架變位機(jī)雙機(jī)器人焊接作業(yè)單元，如圖5所示。

該設(shè)備的先進(jìn)性主要表現(xiàn)在其采用高效的雙槍焊接和先進(jìn)的可視化控制系統(tǒng)，運(yùn)行穩(wěn)定。通過程序控制系統(tǒng)內(nèi)各軸（包括本體和各外部軸），機(jī)器人本體、移動(dòng)裝置、外部軸（變位機(jī)）具有協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到焊接姿態(tài)最佳的目的，其控制原理如圖6所示。PLC與機(jī)器人之間采用Profibus-DP通信方式進(jìn)行信號交換，實(shí)現(xiàn)PLC對機(jī)器人的控制；機(jī)器人與弧焊機(jī)控制器之間采用Devicenet通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對弧焊機(jī)的控制機(jī)及弧焊機(jī)參數(shù)的設(shè)置。當(dāng)操作人員按下工件裝夾完成按鈕后，PLC程序自動(dòng)通過電磁閥和傳感器對伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，使變位機(jī)旋轉(zhuǎn)到工件最佳施焊位置，隨后依據(jù)選擇的工件類型，向機(jī)器人控制器發(fā)送程序選擇和工件到位信號，機(jī)器人依據(jù)信號對工件進(jìn)行焊接，焊接完畢后，機(jī)器人回到原點(diǎn)。

考慮到構(gòu)件一般都是由中厚鋼板拼接的結(jié)構(gòu)件，工件在組對時(shí)難免會存在誤差，焊縫的位置和寬窄一致性不高，并且在焊接過程中，先焊接的焊縫產(chǎn)生的變形會作用在工件上，導(dǎo)致后焊接的焊縫偏離組對時(shí)的位置，為了保證焊接質(zhì)量，要求機(jī)器人能夠在焊接時(shí)具有自動(dòng)找正焊縫的起始位置和正確的方向，焊接中厚板的機(jī)器人系統(tǒng)都會帶有焊接起始點(diǎn)尋位、焊縫跟蹤和坡口寬度跟蹤功能等焊接功能。

4. 結(jié)語

SD10YE系列靜液壓推土機(jī)機(jī)架經(jīng)過上述工藝結(jié)構(gòu)改進(jìn)和工藝設(shè)備調(diào)整后，后面板關(guān)鍵焊縫一次交檢合格率由5%提升到95%以上，焊接時(shí)間由改進(jìn)前的60min/件提升為20min/件；同時(shí)在公司靜液壓推土機(jī)系列產(chǎn)品上進(jìn)行了推廣，提高了產(chǎn)品關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

圖4　金相組織（100×）

圖5　雙機(jī)器人焊接作業(yè)單元1.機(jī)器人單元　2.頭尾架變位機(jī)　3.后橋合件

圖6　聯(lián)動(dòng)控制原理

20150108

參考文獻(xiàn)：

[1] 李德明，孫世超，王彩鳳. 柔性制造系統(tǒng)在工程機(jī)械產(chǎn)品制造中的應(yīng)用[J]，工程機(jī)械，2014（11）：50-54.

[2] 孟國強(qiáng)，翟浩.焊接技術(shù)在山

推結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用[J]，金屬加工.熱加工，2010（22）：14-19.

[3] 杜望.柔性制造在機(jī)器人中厚板結(jié)構(gòu)件焊接中的應(yīng)用[J] 金屬加工（熱加工），2012（增刊1）：119-121

[4] 李德明，張瑞，徐恩磊.旋挖鉆機(jī)底盤結(jié)構(gòu)件焊接工藝分析[J].建筑機(jī)械化，2011 （11）：76-78.

[5] 李德明，等.重型叉車門架焊接變形工藝探討[J].叉車技術(shù)，2014（2）：25-28.

20141325

作者簡介：李德明等，山推工程機(jī)械股份有限公司。