Q235-A厚板件焊接的工藝性研究

齊重數控裝備股份有限公司 （黑龍江齊齊哈爾 161005） 劉恩寶

1.問題概述

2011年，我公司承擔了為某企業生產12m數控輾環機的焊接任務，該產品由床身、主傳動裝置、徑向軋制機構、測量裝置、主輥、軸向軋制機構、定心機構及托架等部分構成，其中床身長達36m（共分三段），寬近6m，整機重量達到1600多噸，零部件中軸向軋制機構最重，達440多噸；最輕的托架也重達5.5t，所采用的鋼板材質為Q235－A，其中80%以上的板厚在100mm以上，最大板厚達到了250mm，焊接過程中不可避免會產生應力和變形，一旦產生的應力和變形過大，將可能使零件報廢，為公司造成巨大的損失。

我公司在這之前從未焊接過這么大的厚板結構件，沒有現成的經驗可遵循，因此，為了控制焊接應力和變形，焊前需要對焊接工藝做細致的分析研究，制定切實可行的焊接工藝方案，對保證焊接結構的質量，提高生產效率，降低成本，積累經驗意義重大。

2.焊接工藝方案確定

我們知道，不均勻的加熱和冷卻是產生變形的基本原因，在焊接過程中，由于焊接熱循環的特點，使焊件本身受到電弧不均勻的加熱，在焊件上產生不均勻的溫度場，這個不均勻的溫度場使材料產生不均勻的膨脹，從而在焊件中產生應力和變形。對于厚板來說，由于厚板導熱性差，造成上下面溫差大，更加劇了這種情況，同時由于厚板焊接工程量大，難度高，因此必須開坡口焊接，我們以前在焊接生產中一直采用的是火焰切割V形或X形坡口，坡口角度隨著板厚的不同有30°、45°、60°，因此在確定坡口時，首先考慮這三種形式。經過分析，我公司采用的是熔化極富氬氣體保護焊，焊槍噴嘴直徑為25mm，當采用30°或45°單邊V形坡口時，由于坡口太窄，焊槍噴嘴無法深入至坡口根部，如果焊絲伸出太長，又會因氣體保護不好而使焊縫金屬產生不應有的缺陷；如用焊條電弧焊打底，因坡口深，清渣十分困難，生產效率極低而不宜采用；如果采用60°坡口，雖然焊槍噴嘴的問題可以解決，但填充金屬的消耗量太大，既增大了焊工的勞動強度，又降低了工作效率，提高了成本，同時焊接量大必然會造成應力和變形量顯著增大，因此，必須對焊接坡口形式進行改進。經過分析比較，最終決定采用VY形復合坡口形式，如圖1所示。

圖1

雖然這種坡口形式不能采用火焰切割，而必須上機床加工，會增加一些成本，但由于減少了焊接工作量及焊接變形量，所以總體還是經濟合算的。圖2是45°、60°V形坡口的焊縫橫截面積與VY形復合坡口的焊縫橫截面積比較（板厚以100mm為例，有效深度均為70mm）。通過圖2計算可知，三種坡口形式的焊縫橫截面積分別為2450mm2、4243mm2、2122mm2（圖中陰影部分），而且由于VY形坡口中，其下層的坡口角度一般是60°，從而可以保證焊槍噴嘴深入坡口底部施焊。綜上分析，VY形坡口的焊接工作量是三種坡口形式中最小的，產生的應力和變形也是最小的，同時最有利于保證焊縫的焊接質量。

圖2

另外，由于裝配焊接順序對焊接應力和變形影響也較大，因此在坡口形式確定以后，還需要對裝配和焊接順序進行合理安排。通過對結構分析，如果采用邊裝邊焊的方式，雖然簡單，但由于初始剛性差，焊接變形很難控制，所以經過分析，決定采用整體裝配后再焊接的方法，這樣的好處是裝配后形成框架，提高了整體的剛性，有助于減少焊接變形量，但困難是裝配后，里面的焊縫就無法焊到。為了解決這一問題，經過慎重分析，在保證結構強度的前提下，決定對筋板上的減重孔的尺寸加以擴大至φ400～φ500mm，保證一個身材略小的人進出（見圖3）在整體裝配后，焊工從上述圓孔進入焊接內焊縫。焊接時，用鼓風機向里面通風并做好絕緣防護工作，以防止中毒和觸電事故的發生。焊接方法是采用熔化極富氬氣體保護焊，保護氣體成分為80%Ar+20%CO2，焊絲牌號為ER49－1，φ1.2mm，焊接電流控制在350A以內，多層多道焊，注意控制焊接熱輸入，當溫度過高時，要暫停焊接，待溫度降至200℃以下時再繼續施焊。焊后消除應力退火并矯正變形。

圖3

3.結語

通過采用上述措施后，焊后成品件一次通過了檢測，重要焊縫進行超聲波探傷，均達到Ⅱ級要求，到機加工序后，完全保證了劃線加工，沒有補焊情況發生，為公司節約了大量的人力物力；同時縮短了生產周期，積累了厚板件的焊接經驗，為今后公司的厚板件焊接生產打下了一個良好的基礎。