大型箱形結(jié)構(gòu)梁制造技術(shù)研究

韓巧珍，王銳敏，駱新營(yíng)，岳佳宏，孟璇，申晨，黃汝哲，秦國(guó)方，楊曉華

山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 山西長(zhǎng)治 046012

1 序言

某產(chǎn)品的主承力結(jié)構(gòu)件主要由10～12個(gè)大型箱形結(jié)構(gòu)梁通過法蘭連接而成。各箱形結(jié)構(gòu)梁均為超大超重件，零件所用鋼板厚度較大，焊縫數(shù)量多且長(zhǎng)，焊接坡口大而深，90%以上焊縫為坡口焊，焊接和涂裝工作量大；各箱形梁內(nèi)外表面均需涂漆，由于各箱形梁均超大超重，所以無法組焊后整體去銹涂漆，只能在零件狀態(tài)去銹涂漆后再組焊，而零件涂漆后組焊時(shí)待焊部位打磨清理量大，焊接輔助時(shí)間長(zhǎng)；各梁中各零件坡口加工工作量大；組焊后梁整體加工量也大?？傊笮拖湫瘟涸谏a(chǎn)過程中，焊前清理、焊接過程以及加工等方面工作量均較大，整體生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率低。

本文針對(duì)上述問題，對(duì)下料、焊接、加工等生產(chǎn)過程進(jìn)行了工藝優(yōu)化，降低了大型箱形結(jié)構(gòu)梁的生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率[1]。

2 大型箱形結(jié)構(gòu)梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要存在問題

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

大型箱形結(jié)構(gòu)梁主要由內(nèi)外腹板及上下蓋板，隔板與加強(qiáng)板等組焊而成（見圖1），鋼板材質(zhì)為Q355鋼，板厚40mm、50mm，端面采用法蘭連接。梁高為2200～2750mm，寬度為2500～3500mm，長(zhǎng)度在10m以上，最長(zhǎng)的達(dá)到28m 。

圖1 大型箱形結(jié)構(gòu)梁

工藝特點(diǎn)如下。

1）箱形梁內(nèi)外表面均需噴涂底漆、中漆及面漆。

2）箱形梁組焊后，各焊縫質(zhì)量均需滿足Ⅱ級(jí)焊縫無損檢測(cè)要求。

3）箱形梁中90%的焊縫為坡口焊縫，大多數(shù)零件需制坡口。

4）各梁組焊后，法蘭面及上下連接面均需進(jìn)行整體加工。

2.2 主要存在問題

前期生產(chǎn)時(shí)，大型箱形梁生產(chǎn)過程中主要存在以下問題。

（1）焊前打磨工作量大，焊接輔助時(shí)間長(zhǎng) 由于箱形梁均超大超重，無法在組焊后整體去銹涂漆，因此需在各零件裝配前進(jìn)行去銹后涂底漆、中漆。但在各箱形梁組焊時(shí)需打磨去除待焊部位及兩側(cè)一定范圍內(nèi)的油漆等雜質(zhì)。各焊縫檢測(cè)前也需將焊縫兩側(cè)的油漆清理干凈。而本身油漆打磨較困難，再加上大形箱形梁漆膜厚度較厚，底漆厚度為60～80mm，中間漆厚度為120～140mm，打磨更困難。

綜上所述，零件涂漆后，部件組焊時(shí)焊前清理打磨工作量大，焊接輔助時(shí)間長(zhǎng)，大大降低了焊接效率。

（2）箱形梁部件裝配效率低，裝配精度不穩(wěn)定 大型箱形梁各零件均較大較重，部件裝配時(shí)各零件吊裝、找正擺放、裝點(diǎn)等困難，需多人共同操作，占用時(shí)間長(zhǎng)，裝配效率低且裝配精度不穩(wěn)定，不僅制約了整體裝配進(jìn)度，而且產(chǎn)品整體質(zhì)量穩(wěn)定性差。

（3）箱形梁部件焊接效率低 各箱形梁之間通過法蘭（見圖2）進(jìn)行連接。法蘭周圈焊縫為主要受力焊縫，質(zhì)量要求高，需進(jìn)行100%超聲波檢測(cè)，滿足Ⅱ級(jí)焊縫檢測(cè)要求。前期生產(chǎn)時(shí)，法蘭周圈焊縫為雙面坡口焊縫，為確保焊縫質(zhì)量，焊接時(shí)先焊接一面坡口焊縫，再在另一面采用碳弧氣刨[2]清根后焊接。存在的主要問題：一是焊縫清根工作量大，焊接效率低；二是雙面坡口焊縫，內(nèi)側(cè)焊縫無法采用埋弧焊[3]，只能采用氣體保護(hù)焊[4]，而氣體保護(hù)焊主要靠手工操作，焊接效率低，且焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定。

圖2 法蘭示意

（4）零部件機(jī)加工工作量大，機(jī)加工效率低 前期生產(chǎn)時(shí)，考慮到各箱形梁坡口大，焊縫多且長(zhǎng)，焊接填充量大，焊接變形及焊接收縮量等無其他類似產(chǎn)品可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。為保證圖樣焊接、加工制造精度要求，確保產(chǎn)品一次成功，結(jié)合當(dāng)時(shí)廠內(nèi)下料設(shè)備能力，原零件下料外形均留有余量，組焊前需進(jìn)行機(jī)加工；各箱形梁部件中90%以上焊縫為坡口焊縫，大部分零件還需加工坡口。因此，各零件外形及坡口均需機(jī)加工，加工工作量大。而由于大型盒形梁中各零件均較大，加工均需占用大設(shè)備，且需在加工工位與裝焊工位之間進(jìn)行轉(zhuǎn)貨，因此轉(zhuǎn)貨專用費(fèi)用及加工成本高。而且由于零件較多，加工周期長(zhǎng)，裝焊時(shí)需進(jìn)行等待，制約了裝焊進(jìn)度，因此零件外形及坡口加工，制約了整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度。

各箱形梁組焊后需整體加工各法蘭面及上下面，因此梁整體組焊后加工面較多（3～6個(gè)）。加工時(shí)加工面需正對(duì)機(jī)床主軸，因此加工過程中需多次對(duì)工件進(jìn)行翻轉(zhuǎn)加旋轉(zhuǎn)，加工效率低。另外，為了確保裝配順利，部分梁需試裝配后，再根據(jù)實(shí)際裝配情況配加工，因此，需在加工與總裝之間來回轉(zhuǎn)貨，轉(zhuǎn)貨成本高。而各梁均為超大超重件，目前只能在廠內(nèi)WH250銑鏜床上加工，該設(shè)備為廠內(nèi)瓶頸大設(shè)備，箱形梁加工時(shí)工件旋轉(zhuǎn)、來回轉(zhuǎn)貨均導(dǎo)致占用大設(shè)備時(shí)間長(zhǎng)，不僅箱形梁加工效率低，也制約了其他產(chǎn)品的生產(chǎn)。

綜上所述，對(duì)于大型箱形結(jié)構(gòu)梁的生產(chǎn)，無論焊接還是加工方面都存在生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低的問題。因此，如何降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率已成為了亟待解決的主要問題。

3 大型箱形結(jié)構(gòu)梁制造技術(shù)研究

3.1 零件下料優(yōu)化

后續(xù)生產(chǎn)時(shí)，總結(jié)前期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，掌握了各梁焊后變形量以及變形規(guī)律，結(jié)合廠內(nèi)現(xiàn)有數(shù)控下料設(shè)備精度的提升，下料時(shí)采取預(yù)留下料切割收縮量，設(shè)置合理的切割順序，進(jìn)行分段切割等措施，并借鑒近幾年其他產(chǎn)品中厚板外形及坡口下料成形的經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化各零件下料方案為：除法蘭連接端面及內(nèi)外腹板留有二次機(jī)加余量外，其余各件外形及坡口均足尺寸成形下料，不需要再進(jìn)行機(jī)加工。各成形下料件下料后的板件直接轉(zhuǎn)運(yùn)至裝焊工位進(jìn)行裝焊。不僅大大減少了零件加工工作量，解放了大設(shè)備，而且省去了各零件轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用及轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，大大縮短了零件生產(chǎn)周期[5]。

3.2 去銹涂漆工藝優(yōu)化

原涂漆時(shí)考慮零件需加工外形及坡口，流轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，不涂漆部位容易再次生銹，待焊部位未做防護(hù)要求。因此，零件整體噴漆后，在組焊及檢測(cè)前，需打磨去除焊縫兩側(cè)的油漆，不但焊接輔助工作量大，而且造成一定的浪費(fèi)。

后續(xù)生產(chǎn)時(shí)，下料優(yōu)化后，由于大多零件外形及坡口下料成形，零件流轉(zhuǎn)周期縮短。因此，工藝對(duì)各零件編制了專門的涂漆防護(hù)工藝，工藝中附圖標(biāo)出待防護(hù)部位（見圖3），零件涂漆時(shí)按涂漆防護(hù)工藝要求對(duì)待焊部位進(jìn)行了防護(hù)（見圖4）， 這樣裝焊時(shí)大大減少了焊前打磨工作量，減少了焊接輔助時(shí)間，大大提高了焊接效率，也在一定程度上避免了油漆的浪費(fèi)。

圖3 涂漆防護(hù)工藝

圖4 涂漆防護(hù)實(shí)物

3.3 部件裝配優(yōu)化

各箱形梁均由中厚板組焊而成，其內(nèi)外腹板均較長(zhǎng)較重，以往組裝點(diǎn)焊時(shí)，零件起吊后，全靠操作人員配合吊車一點(diǎn)一點(diǎn)移動(dòng)工件，找正零件裝配位置。由于零件較重，所以需多人配合，零件裝配精度及效率低，且存在安全隱患。

后續(xù)生產(chǎn)時(shí)，優(yōu)化零件裝點(diǎn)工藝，設(shè)計(jì)了零件組裝點(diǎn)焊可調(diào)節(jié)支撐工裝（見圖5），零件組裝點(diǎn)焊時(shí)采用支撐工裝支撐定位，提高了裝配精度及裝配效率。

圖5 可調(diào)節(jié)支撐工裝

3.4 部件焊接優(yōu)化

以往生產(chǎn)時(shí)，圖樣中法蘭連接端面為雙面不等邊坡口，焊接時(shí)先焊接內(nèi)側(cè)小坡口焊縫，再在外側(cè)大坡口處清根后焊接外側(cè)大坡口焊縫。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，采用此種工藝方法，清根操作困難，清根工作量較大。再加上雙面坡口焊時(shí)，內(nèi)側(cè)坡口處焊縫無法采用埋弧焊焊接，只能采用氣體保護(hù)焊焊接，焊接效率較低。

后續(xù)生產(chǎn)時(shí)，考慮近幾年廠內(nèi)焊工操作水平的不斷提升，結(jié)合其他產(chǎn)品類似焊縫焊接的經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)與設(shè)計(jì)協(xié)商，優(yōu)化法蘭周邊坡口，對(duì)法蘭周邊焊縫處坡口由原來的雙面不等邊改為單面坡口，坡口在外側(cè)，角度50°，鈍邊2mm。法蘭裝點(diǎn)時(shí)，留有一定的裝配間隙，焊接時(shí)直接從外側(cè)焊接，采用合適的焊接參數(shù)，單面焊雙面成形，背面無需再清根焊接。坡口優(yōu)化后，一是在確保焊縫質(zhì)量的前提下省去了清根工作量，二是焊縫均在外側(cè)進(jìn)行焊接，大部分焊縫除打底外其余層均可采用埋弧焊進(jìn)行焊接，提高了焊縫一次檢測(cè)合格率，不僅保證了法蘭處焊縫的質(zhì)量，而且改善了焊接作業(yè)環(huán)境。

3.5 部件加工優(yōu)化

（1）主梁加工方案優(yōu)化 主梁為大型箱形結(jié)構(gòu)梁中的較長(zhǎng)較重件，長(zhǎng)約28m，重約130t。整體組焊后需加工上平面、下平面及各法蘭面。加工時(shí)一般以上平面為基準(zhǔn)面，且加工面需正對(duì)機(jī)床主軸。因此，加工流程一般為：加工上平面（法蘭朝下放置，上平面正對(duì)機(jī)床主軸）→加工法蘭面（上板朝下放置，法蘭面正對(duì)機(jī)床主軸，需將梁翻轉(zhuǎn)90°，再旋轉(zhuǎn)180°）→加工下平面（法蘭面朝下放置，下平面正對(duì)機(jī)床主軸，需將梁翻轉(zhuǎn)90°）。當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，由于主梁總重超出目前廠房?jī)?nèi)吊車的起吊載荷（100t），需兩部吊車同時(shí)起吊，因此無法在工房?jī)?nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，需要雇傭平板車將工件拉出工房，掉頭再拉回。雇傭平板車不僅費(fèi)用高，而且耗時(shí)長(zhǎng)。因此，加工時(shí)輔助時(shí)間較長(zhǎng)，加工效率低。

主梁加工優(yōu)化后工藝方案為：首先，裝焊時(shí)梁擺放方向法蘭面應(yīng)遠(yuǎn)離機(jī)床主軸，并在與法蘭相對(duì)的面上增焊基準(zhǔn)板。加工時(shí)，加工流程為：加基準(zhǔn)板（下板朝下放置，法蘭面遠(yuǎn)離機(jī)床主軸，見圖6）→加上平面（法蘭朝上放置，上平面正對(duì)機(jī)床主軸，需將梁翻轉(zhuǎn)90°）→加工法蘭面（上板朝下放置，法蘭面正對(duì)機(jī)床主軸。需將梁翻轉(zhuǎn)90°）→加工下平面（法蘭面朝下放置，下平面正對(duì)機(jī)床主軸，需將梁翻轉(zhuǎn)90°）。優(yōu)化加工流程后，工件在工房?jī)?nèi)翻轉(zhuǎn)即可，無需進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，不僅節(jié)約了生產(chǎn)成本，并且提高了生產(chǎn)效率。

圖6 基準(zhǔn)板位置

（2）斜梁、短梁加工方案優(yōu)化 為確保各梁裝配順利，斜梁及短梁法蘭面需進(jìn)行配加工。原工藝方案為：裝焊后先上車加工，留少數(shù)余量后，轉(zhuǎn)總裝工房進(jìn)行試裝，根據(jù)實(shí)際裝配情況標(biāo)出剩余余量，再轉(zhuǎn)加工車間重新上車加工剩余部分。本方案不僅來回轉(zhuǎn)貨成本大，而且需兩次上車裝夾找正加工，占用大設(shè)備時(shí)間長(zhǎng)，加工效率低，制約了加工進(jìn)度。

優(yōu)化后工藝方案為：主梁、橫梁裝配后，根據(jù)實(shí)際裝配情況精確測(cè)量斜梁及短梁裝配尺寸。斜梁及短梁裝焊后，直接根據(jù)測(cè)量的尺寸進(jìn)行加工，無需來回轉(zhuǎn)貨，也無需二次上車加工，節(jié)約了轉(zhuǎn)貨成本，提高了加工效率。

（3）各梁法蘭孔位置優(yōu)化 各梁中法蘭連接孔加工時(shí)，為確保螺栓裝配順利，孔背面需锪平。但前期加工時(shí)發(fā)現(xiàn)各梁每個(gè)法蘭上靠近焊縫的兩排孔锪平時(shí)，受焊縫余高干涉，需將焊縫余高加工掉，增加了加工工作量。

后續(xù)生產(chǎn)時(shí)，經(jīng)分析產(chǎn)品裝配情況，在保證不影響裝配質(zhì)量的前提下，與設(shè)計(jì)協(xié)商，將各法蘭上靠近焊縫的兩排孔向外平移6mm，增大了孔與焊縫間的距離，裝配時(shí)避免了焊縫干涉螺栓。這樣不需再去除焊縫余高，減少了加工工作量，提高了加工效率。

4 結(jié)束語

1）在大型箱形結(jié)構(gòu)梁的生產(chǎn)過程中，通過零件下料優(yōu)化及部件整體加工優(yōu)化，大大減小了零件及部件的加工工作量，降低了加工成本，提高了加工效率。

2）通過部件裝配優(yōu)化，提高了裝配效率及裝配精度。

3）通過涂漆工藝優(yōu)化及部件焊接優(yōu)化，大大減小了焊接輔助時(shí)間，減輕了焊接工作量，提高了焊接效率，確保了焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定。

總之，在大型箱形結(jié)構(gòu)梁的生產(chǎn)過程中，采用一系列的工藝優(yōu)化方案后，在確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，生產(chǎn)成本降低了5%，生產(chǎn)效率提高了10%。