工程機(jī)械用厚鋼板焊接技術(shù)分析

摘 要：本文以工程機(jī)械用厚鋼板為載體，對其焊接工藝進(jìn)行了完整全面的分析研究。主要對焊接前的熱處理工藝、厚鋼板的焊接結(jié)構(gòu)、焊接工藝和焊接后的殘余應(yīng)力消除等方面進(jìn)行了研究，并給出了相應(yīng)的技術(shù)對策。本論文對于相關(guān)技術(shù)人員學(xué)習(xí)研究提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：厚鋼板，焊接，工程機(jī)械，技術(shù)分析

引言

隨著我國大型基礎(chǔ)建設(shè)的高速發(fā)展，對應(yīng)需要的大型工程機(jī)械也越來越多，對大型工程機(jī)械設(shè)計研制過程中的厚鋼板、大型管件和軸類件的焊接性能都提出了極為苛刻的要求，特別是厚鋼板的焊接要求更為嚴(yán)格[1-3]。厚鋼板是大多數(shù)大型工程機(jī)械的最基本的組成部分，是大型工程機(jī)械的主要構(gòu)件，工程機(jī)械厚鋼板的有效焊接對整機(jī)的使用壽命和使用性能有著至關(guān)重要的影響，同時高質(zhì)量的厚鋼板焊接也能保證工程機(jī)械在后續(xù)的施工作業(yè)中對惡劣環(huán)境表現(xiàn)出較好的適應(yīng)能力。與其它薄鋼板或桿管類零件的焊接不同，厚鋼板的焊接過程中使用的焊條熔融量非常大，同時焊接過程中輸入的熱量也非常高，由于鋼板較厚所以難以實現(xiàn)自由焊接，這些難點都會造成焊接過程中或焊接后的厚鋼板產(chǎn)生裂縫[2-6]。因此對厚鋼板的焊接技術(shù)進(jìn)行研究，對保證焊接質(zhì)量具有重要的意義。

1、焊接前的預(yù)熱處理工藝

厚鋼板在焊接前一般放置在空氣中，溫度一般為幾十度，而焊接過程中產(chǎn)生的溫度可高達(dá)千余度，焊接結(jié)束后由于溫度的急劇下降非常容易造成硬度較大的馬氏體晶格產(chǎn)生，這樣相當(dāng)于淬火的過程，當(dāng)焊接厚鋼板內(nèi)部的應(yīng)力集中達(dá)到一定值后就會產(chǎn)生裂縫。避免內(nèi)部應(yīng)力集中導(dǎo)致裂縫的發(fā)生，較好的措施是焊接前對厚鋼板預(yù)熱一段時間。對于預(yù)熱的溫度要求極為嚴(yán)格，如果預(yù)熱溫度合適，可以減少厚鋼板焊縫的應(yīng)變率，最終可大大降低裂縫的產(chǎn)生概率。如果厚鋼板的預(yù)熱溫度過高，不僅使焊接的環(huán)境更加惡劣，同時由于局部加熱導(dǎo)致了內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致后續(xù)焊接中裂縫的發(fā)生。在焊接過程中不僅要考慮預(yù)熱溫度，同時要求對環(huán)境溫度、鋼材材質(zhì)、鋼材厚度等因素都做全面考慮評估。一般的厚鋼板預(yù)熱按照以下要求進(jìn)行：厚鋼板的硬度越高，需預(yù)熱的溫度越高；焊接過程中焊漿冷卻的速度比較快，需預(yù)熱的溫度則相對較高；對于普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，如果厚度大于五十毫米，則預(yù)熱溫度基本控制在七十到一百攝氏度。如果鋼材為低合金結(jié)構(gòu)鋼，厚度在三十六毫米以上，則預(yù)熱溫度基本控制在八十到一百二十?dāng)z氏度。焊縫的焊接自由度和可操控性能較低時，需要預(yù)熱的溫度越高。

2、厚鋼板焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

厚鋼板焊接過程中，非常容易產(chǎn)生較大的焊接構(gòu)件變形，避免焊接構(gòu)件變形的一個有效方法是對焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。具體一般按照以下幾個方向進(jìn)行：

（1）優(yōu)化設(shè)計焊縫的長度和焊縫的數(shù)量。在厚鋼板焊接設(shè)計過程中，焊縫的長度不能設(shè)計過長，如果能夠滿足基本的焊接要求，推薦使用多條短縫焊接替代長縫焊接的技術(shù)，這樣能夠最大程度地降低鋼材焊接過程中的構(gòu)件變形量。在短焊縫的數(shù)量方面也盡量不要過多，過多的焊接縫會使焊漿熱量過大而使厚鋼板產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，最終使鋼材產(chǎn)生變形。

（2）降低焊縫截面處的面積。在實際焊接過程中，采用對接焊縫工藝的厚鋼板受力分布比采用角焊縫工藝的厚鋼板更加均勻。所以對接焊縫一般為我們的優(yōu)選策略。對于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的厚鋼板，必須采用角焊接工藝時，我們要盡量降低焊接截面的面積和尺寸。對于不同厚度的鋼板焊接，我們要求將坡口加工在厚度較小的鋼板上，這樣可以控制焊漿的量，同時也可以最大限度地減少厚鋼板的變形量。

（3）厚鋼板構(gòu)件的焊縫形態(tài)盡量采用對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計。在厚鋼板焊接過程中由于焊縫周邊鋼材的快速加熱和快速冷卻，導(dǎo)致鋼材內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中和應(yīng)變。當(dāng)焊縫和焊接結(jié)構(gòu)保持對稱時，鋼材內(nèi)部的應(yīng)變和應(yīng)力就會相互平衡，最終焊接成型的工程機(jī)械基本不會產(chǎn)生變形量。

（4）避免重復(fù)焊接或重疊焊縫的產(chǎn)生。在焊接過程中，如果焊縫產(chǎn)生重疊，那么焊漿的發(fā)熱區(qū)域就會產(chǎn)生交叉，在厚鋼板反復(fù)受熱的過程中，其內(nèi)部的晶體顆粒組織發(fā)生變化，最終導(dǎo)致焊接部位及附近鋼材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度變低，影響整臺工程機(jī)械的強(qiáng)度。所以我們在焊接的過程中要盡量將不同的焊縫錯開，按照設(shè)計要求，相鄰兩條焊縫的距離不能低于一百四十毫米。

3、焊接工藝優(yōu)化分析

（1）嚴(yán)格控制夾持厚鋼板的夾具工裝的尺寸數(shù)量級別，確保高精度。夾具工裝的高精度對于確保厚鋼板焊接質(zhì)量與焊接精準(zhǔn)度至關(guān)重要。在對大型厚鋼板的焊接過程中，主要有兩個參數(shù)需要精準(zhǔn)控制，一個是縱軸與橫軸方向的尺寸精準(zhǔn)度，另一個是兩塊鋼板在對角線方向的精準(zhǔn)度。在一般的焊接設(shè)計要求中，縱軸與橫軸方向的尺寸精準(zhǔn)度要控制在千分之三的范圍以內(nèi)。對于放置厚鋼板的平臺的平整度也要控制在規(guī)定的精度范圍內(nèi)，特別要注意考慮夾具工裝夾緊后產(chǎn)生的平臺平整度變化量。否則會產(chǎn)生較大的偏差，一般情況下，平臺的平整度偏差在四個毫米以內(nèi)時滿足設(shè)計要求的。

（2）對于厚鋼板焊接過程中的焊接順序、工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。如果需要焊接的鋼板焊縫過大，此時需要采用直徑較大的焊條進(jìn)行焊接，焊接過程中的電流不能過大，焊接的線速度可以適當(dāng)提高，采用多條焊道多層組合焊接的方式進(jìn)行，全面控制變形產(chǎn)生。對于焊接順序優(yōu)化方面精準(zhǔn)合理控制也可大大降低焊接產(chǎn)生的變形，在焊接前需要對焊接可能產(chǎn)生的變形和方向進(jìn)行分析研究、制定最優(yōu)方案。在焊接設(shè)計中，我們一般要求首先對變形量較大的鋼材進(jìn)行焊接，最后對變形量小的鋼材進(jìn)行焊接。

（3）厚鋼板形狀矯正技術(shù)。厚鋼板形狀矯正技術(shù)是焊接過程中的較為重要的工序流程，對于厚度大于三十毫米的鋼材，常用的且表有效的矯正技術(shù)是高溫火焰噴射矯正和機(jī)械力矯正。同時根據(jù)不同零件的變形量不同，可以進(jìn)行多次、少量的重復(fù)矯正，直至達(dá)到設(shè)計精度和技術(shù)要求。

4、焊接殘余應(yīng)力消除分析

厚鋼板焊接后其內(nèi)部的殘余應(yīng)力不可避免，其表現(xiàn)形式為拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，是裂紋產(chǎn)生的主要原因，所以有必要對厚鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力進(jìn)行消除。當(dāng)期已有的處理方法有熱處理去除殘余應(yīng)力、振動法去除殘余應(yīng)力和自然去除法。其中自然去除法耗時較長且效果不夠明顯，目前應(yīng)用還不夠廣泛。振動法去除殘余應(yīng)力的設(shè)備簡單、易操作、成本低、效果好，目前應(yīng)用較多。熱處理法應(yīng)用效果最好，但對于大型工程機(jī)械，由于其零件過大難以實現(xiàn)均勻加熱。所以具體選用何種方法消除殘余應(yīng)具體問題具體分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]李冬玲，張勇，鹿鋒華.激光誘導(dǎo)擊穿光譜法對焊接接頭表面滲銅區(qū)銅元素的深度分布分析[J].冶金分析，2015，35（01）：19-25.

[2]秦國梁，孟祥萌，付邦龍，楊成營，肖國棟.薄壁不銹鋼管列置雙TIG電弧高速焊接工藝[J].機(jī)械工程學(xué)報，2015，51（12）：83-88.

[3]馬然，董皕喆，吳世凱，楊武雄，肖榮詩.薄板鈦合金光纖激光-鎢極惰性氣體保護(hù)焊電弧復(fù)合焊接工藝研究[J].中國激光，2014，41（05）：85-92.

[4]陳浩，王霄，劉會霞，李品，黃創(chuàng)，趙振關(guān)，嚴(yán)長.數(shù)值模擬驅(qū)動的激光透射焊接PET與304L不銹鋼的優(yōu)化研究[J].中國激光，2014，41（04）：91-99.

[5]趙琳，塚本進(jìn)，荒金吾郎，張巖，田志凌.大功率光纖激光焊接過程中工藝參數(shù)對熔深和氣孔的影響[J].中國激光，2013，40（11）：104-108.

[6]俞照輝，嚴(yán)紅革，管正剛，尹緒雨，李穎.激光焊接工藝參數(shù)對高強(qiáng)鎂合金焊縫成形及裂紋傾向的影響[J].中國有色金屬學(xué)報，2013，23（06）：1479-1488.

作者簡介：

楊震（1990年出生），性別男，漢族，江蘇徐州人。目前就職于徐工集團(tuán)道路機(jī)械事業(yè)部，助理工程師職稱，本科學(xué)歷。主要從事工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件等焊接工藝研究