重載底座焊接工藝研究

吳春德 駱新營 高楊 申晨 李臣達(dá) 曹茂林

摘要：隨著科技的進(jìn)步，大型結(jié)構(gòu)件的焊接已取得很大改善，但對于焊縫質(zhì)量等級較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜重型底座的焊接仍是一大難題，焊接缺陷依然伴隨整個(gè)焊接過程，焊縫質(zhì)量很難達(dá)到QJ176B-2016《地面設(shè)備熔焊技術(shù)條件》中Ⅰ級要求，長期負(fù)載使用存在安全隱患。針對這一難題，本文以某型號產(chǎn)品底座為例，從焊接方法選取、焊接過程控制、應(yīng)力消除等幾個(gè)方面著重分析研究，提出了一套能提高焊縫質(zhì)量、減少焊接變形的工藝方法，使用后底座的焊接取得了顯著成效，焊縫射線探傷Ⅰ級合格率達(dá)到90%。該工藝方法在重載底座的成功使用，為焊縫質(zhì)量要求較高的大型框架類結(jié)構(gòu)件的焊接提供借鑒。

關(guān)鍵詞：重載底座;焊接缺陷;焊接變形

中圖分類號：TG457.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）12-0071-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.14

0? ? 前言

在航空航天領(lǐng)域中，底座作為一種常見的大型承載結(jié)構(gòu)件，承載著數(shù)百噸甚至上千噸載荷，長期服役于惡劣環(huán)境，在交變動載的作用下，焊縫的抗疲勞強(qiáng)度高低直接決定著底座的使用壽命。底座均為大厚板組焊而成，焊縫質(zhì)量等級按QJ176B-2016《地面設(shè)備熔焊技術(shù)條件》中Ⅰ級設(shè)計(jì)。在焊接過程中焊接應(yīng)力及變形不可避免，焊件冷卻后必然存在殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中，而這是降低焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的主要因素。實(shí)際生產(chǎn)中重載底座多采用MAG焊，焊后經(jīng)射線探傷，多處出現(xiàn)夾渣、氣孔、微裂紋等缺陷，主要分布在焊縫兩側(cè)、根部、交叉焊縫處、層與層之間，無法達(dá)到Ⅰ級焊縫要求，多次返修，工作量巨大，嚴(yán)重阻礙產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度，且返修失敗報(bào)廢的也不少，損失嚴(yán)重。在降本增效的大環(huán)境下，必須做出改變[1-5]。

文中提出一套提高焊縫質(zhì)量、減少焊接變形的工藝方法，使用后底座焊縫射線探傷Ⅰ級合格率可達(dá)90%，以期為同類產(chǎn)品的焊接提供經(jīng)驗(yàn)。

1 底座材料及其結(jié)構(gòu)分析

以某產(chǎn)品底座為例，結(jié)構(gòu)如圖1所示，該底座由上法蘭、下法蘭、側(cè)板1、側(cè)板2、側(cè)斜板、外弧板組焊而成，材質(zhì)均為低合金鋼Q355B。其中上法蘭及下法蘭為110 mm厚的鋼板，側(cè)板1、側(cè)板2及側(cè)斜板為35 mm厚的鋼板。底座涉及的主要接頭有：法蘭與周圈為T型角焊縫，焊腳尺寸20 mm，側(cè)板、側(cè)斜板、外弧板均為對接焊縫，坡口形式如圖2所示，底座外側(cè)、內(nèi)腔均為坡口焊縫，各焊縫交叉部位存在多處死角，焊接時(shí)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

底座母材Q355B鋼，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。

Q355B碳當(dāng)量為0.40～0.55，綜合性能良好，塑性和焊接性良好，但存在淬硬傾向，較厚鋼板焊接時(shí)必須預(yù)熱，避免產(chǎn)生焊接缺陷。

2 底座焊接存在的主要問題

（1）由于底座的各焊縫均為大坡口焊縫，只能采用多層多道焊接，填充金屬多，采用MAG焊，工作量大，效率低。

（2）內(nèi)腔焊接時(shí)產(chǎn)生空氣對流，減弱了保護(hù)氣體對熔池的保護(hù)，削弱了電弧穩(wěn)定性，焊縫成形不理想，容易出現(xiàn)焊接缺陷。

（3）內(nèi)腔焊接中出現(xiàn)磁偏吹現(xiàn)象，電弧不穩(wěn)定，焊縫成形差。

（4）法蘭厚度在100 mm以上，法蘭與周圈為T型角焊縫，在較大溫度梯度與Z向強(qiáng)制拘束共同作用下易產(chǎn)生層狀撕裂。

（5）外弧板與上下法蘭焊縫的焊接位置變化較大，底座體積、質(zhì)量較大且形態(tài)不規(guī)則，很難將所有焊縫調(diào)整為平角焊，故焊接過程只能調(diào)整焊槍姿態(tài)，但頻繁調(diào)整容易出現(xiàn)焊接缺陷。

（6）底座內(nèi)腔空間有限，不宜采用埋弧焊接，而手工焊接焊工的活動范圍、手法及焊槍姿態(tài)等均受到限制。

（7）交叉焊縫存在應(yīng)力集中。

（8）返修時(shí)清理夾渣、缺陷困難。重復(fù)加熱導(dǎo)致焊縫兩端熱影響區(qū)晶粒粗大，塑性、韌性下降。

3 焊接方法選取

目前，大型黑色金屬結(jié)構(gòu)件常用的焊接方法有埋弧焊、CO2氣體保護(hù)焊、混合氣體保護(hù)焊、焊條電弧焊等。埋弧焊側(cè)重用于厚板大坡口、長焊縫、平焊和平角焊，具有電弧及焊縫質(zhì)量穩(wěn)定、焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較經(jīng)濟(jì)的焊接方法，在大型結(jié)構(gòu)件焊接中備受青睞。CO2氣體保護(hù)焊焊槍輕便、靈活，不受結(jié)構(gòu)形狀和場地限制，但受環(huán)境影響較大，抗風(fēng)能力較差，焊接效率低于埋弧焊，主要應(yīng)用于坡口較小、短焊縫的焊接。焊條電弧焊可達(dá)性較好，可實(shí)現(xiàn)全位置焊接，受環(huán)境影響較小，但焊接效率低，在生產(chǎn)中很少使用，在其他焊接均不理想的情況下被動使用。

由圖1可知，底座外側(cè)平直焊縫外露不受空間限制，平角焊焊接難度小，可充分發(fā)揮埋弧焊的優(yōu)勢，故采用埋弧焊。半圓弧角焊縫焊接位置多變，埋弧焊難以實(shí)現(xiàn)全位置焊接，可采用混合氣體保護(hù)焊。底座內(nèi)腔焊接過程中會產(chǎn)生空氣對流，影響電弧穩(wěn)定性，減弱保護(hù)氣體對熔滴、熔池的保護(hù)，焊縫成形不理想，混合氣體保護(hù)焊受限，可選擇焊接效率稍低，但靈活性強(qiáng)、可達(dá)性好的焊條電弧焊，其采用藥皮熔渣保護(hù)熔滴和熔池，受空氣流動影響小于氣體保護(hù)焊。

4 焊接工藝

底座均為Q355B厚板組焊而成，焊接過程有一定的淬硬傾向，為了避免產(chǎn)生層狀撕裂和裂紋等缺陷，焊前采用中頻感應(yīng)式或中性火焰對坡口進(jìn)行150～250 ℃局部預(yù)熱。T型接頭焊腳尺寸20 mm，均采用多層多道焊接，焊接順序：先焊外側(cè)圓周焊縫，再焊接外側(cè)平直焊縫，最后焊內(nèi)腔焊縫。底座口部焊前加工藝撐桿，以提高口部剛性、減小因剛性不足而產(chǎn)生的扭曲變形。所有焊縫兩端加引弧板和熄弧板，起、熄焊縫長度不小于60 mm。

（1）埋弧焊工藝：焊絲采用H10Mn2，φ5 mm，焊劑采用HJ431，焊劑使用前需在300 ℃烤箱中烘干1.5 h，焊絲干伸長10～12 mm，在焊接結(jié)束時(shí)延遲熄弧時(shí)間2～3 s，避免產(chǎn)生弧坑及裂紋，焊接工藝參數(shù)見表3，焊接過程如圖3、圖4所示。

（2）MAG焊工藝：單純使用CO2氣體，飛濺較大，清渣工作量大，因此適當(dāng)加入氬氣提高電弧穩(wěn)定性。選用φ（CO2）20%+φ（Ar）80%混合氣體進(jìn)行保護(hù)，氣體流量為15～20 L/min，其他參數(shù)見表3。焊前注意清理焊縫兩側(cè)水分、油污、鐵銹等，防止氫氣孔的產(chǎn)生。焊接手法采用上坡焊，焊接過程需不斷挑弧，增加熔深，電弧到焊縫兩端應(yīng)適當(dāng)停留2～3 s，避免焊縫兩端出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象。焊完一道停止焊接，待焊縫緩冷，焊道溫度略高于預(yù)熱溫度后再開始下一道焊接。進(jìn)行下一層焊接前，需用鋼絲刷清理飛濺和雜質(zhì)。蓋面焊時(shí)采用較大電壓保證蓋面焊縫熔寬，焊接過程如圖5所示。

（3）焊條電弧焊工藝：采用直流焊機(jī)，堿性焊條E5015，φ3.2 mm，其他參數(shù)見表3，焊條使用前放置于保溫箱烘干，烘干溫度300～500 ℃。焊接前，內(nèi)腔焊縫需碳弧氣刨清根，清除焊接缺陷，并用角膜機(jī)去除積碳層。將焊機(jī)推力電流調(diào)整至最小可適當(dāng)減少焊接過程中的磁偏吹現(xiàn)象。施焊過程盡量采用短弧焊接，焊條與熔池之間的距離控制在2～3 mm，便于清楚地觀察熔池形態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)過程缺陷。電弧在焊縫中間擺動稍快，坡口兩邊適當(dāng)多停留1～2 s，確保焊縫成形為向下半圓弧形狀，可有效防止坡口兩邊出現(xiàn)夾渣、未焊透、未熔合等現(xiàn)象。焊接過程如圖6所示。

5 焊接殘余拉應(yīng)力的控制與消除

底座作為大型重載焊接結(jié)構(gòu)，其焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不僅存在較高的拉伸殘余應(yīng)力，且焊縫部分存在焊趾缺陷、接頭應(yīng)力集中，單一方法很難有效控制，需采用多種方法相結(jié)合，多步驟、多工序預(yù)防、控制，并貫穿整個(gè)焊接過程。首先焊前對焊縫兩側(cè)進(jìn)行局部預(yù)熱，預(yù)熱溫度150～250 ℃，以減小焊接接頭的冷卻速度，從而達(dá)到減小焊接應(yīng)力的目的。每焊完一道焊縫，沿著焊縫進(jìn)行錘擊，釋放焊接應(yīng)力，錘擊之后立即使用石棉布對焊縫進(jìn)行保溫，緩冷一段時(shí)間再進(jìn)行下一道焊接。焊后處理：三軸交叉焊縫采用TIG焊進(jìn)行重熔，即用TIG焊將焊趾重新熔化，清除可能存在的咬邊、夾渣等缺陷，同時(shí)形成過渡均勻的重熔區(qū)，減少應(yīng)力集中，改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度;其余焊縫則采用角磨機(jī)進(jìn)行打磨，清除尖角，使焊縫圓滑過渡，避免尖角產(chǎn)生的應(yīng)力集中。為了更大程度地消除殘余應(yīng)力，最后一道工序采用振動時(shí)效來消除焊接殘余應(yīng)力。通過焊前預(yù)熱、焊接過程控制、焊后焊縫打磨、TIG重熔、振動時(shí)效等多種方法進(jìn)行處理后，采用磁性法對底座焊縫進(jìn)行殘余應(yīng)力測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力明顯降低，顯著增強(qiáng)了焊縫抗疲勞能力，提高了底座壽命。

多次采用上述焊接方法及焊接工藝規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)，焊后采用射線探傷和超聲波探傷，對焊縫進(jìn)行無損檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋，90%焊縫達(dá)到了QJ176B-2016《地面設(shè)備熔焊技術(shù)條件》的Ⅰ級要求，有效減少了返修次數(shù)，提高了焊縫質(zhì)量，對焊縫的抗疲勞性有較大的改善。

6 結(jié)論

（1）大型重載底座結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長期重載服役，對焊縫質(zhì)量要求很高，單一的焊接方法已無法保證底座的焊縫質(zhì)量，返修工作量大且困難，返修多次重復(fù)加熱，會導(dǎo)致熱影響區(qū)晶粒粗大，塑性和韌性降低，脆性增大，后續(xù)在動載荷的作用下很容易發(fā)生脆性斷裂。根據(jù)底座結(jié)構(gòu)形式采用不同的焊接方法，合理的焊接規(guī)范可以更好地保證焊縫質(zhì)量。

（2）焊縫正面焊完，背面清根，去除焊縫缺陷、夾雜后再進(jìn)行背面焊縫焊接，可提高焊縫質(zhì)量。

（3）焊接內(nèi)腔過程中產(chǎn)生空氣對流，影響電弧穩(wěn)定性、對熔池防護(hù)不利，不宜采用混合氣體保護(hù)焊。

（4）焊縫的抗疲勞性較差主要源于焊接內(nèi)應(yīng)力?？赏ㄟ^焊前預(yù)熱、錘擊焊道、打磨圓滑焊縫、振動時(shí)效等方法，分步多重控制消除焊接應(yīng)力，最后達(dá)到基本消除殘余應(yīng)力的目的，提高焊縫的抗疲勞能力。

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