起重機吊臂高效激光-MAG 復合橫焊技術

李憲政,畢學松,李寶良,李志波,李京洋

(1.唐山開元焊接自動化技術研究所有限公司,河北唐山063000；2.北京石油化工學院,北京102617)

0 前言

吊臂(也有稱為“伸臂”)是起重機的關鍵部件,也是起重機完成作業最主要的承載部件,直接影響起重機的承載能力和整機性能。起重機在作業時若吊臂出現問題,可能發生重大事故,造成施工及作業周邊人員的人身安全、起重機本身及周邊財產的損壞等重大人身傷害和經濟損失[1]。

隨著對吊臂承載的認識越來越深刻,吊臂截面先后出現四邊形、六邊形、八邊形、十二邊形、U形、鼓形等形狀,單節吊臂長度一般為7.5～11 m,最長可達16 m。吊臂主要由上、下蓋板焊接制造而成,其中兩條長直主焊縫至關重要,其焊接質量直接影響吊臂的綜合性能、工作可靠性,焊接效率直接影響起重機的制造效率和制造成本[2-3]。

1 吊臂焊接制造的現狀

圖1所示典型吊臂工件照片,主要由上蓋板和下蓋板焊接制造而成,兩蓋板之間的兩條長直焊縫即為主焊縫,兩條主焊縫對稱分布于吊臂兩側。圖2是吊臂構件及主焊縫的示意圖。

為了不斷減輕自身重量,高強度優質鋼材逐步應用于吊臂,先后應用了16Mn鋼、Q550,Q690,Q800,Q960,甚至是Q1200等,鋼材強度不斷增大。不同型號及噸位的起重機,吊臂板厚一般為4～10 mm。為保證吊臂質量,對主焊縫提出了嚴格的要求,除不能出現咬邊、氣孔、裂紋、夾渣等焊接缺陷外,焊縫的沖擊韌性、抗拉強度等力學性能也必須滿足設計及使用要求。

圖1 典型吊臂工件照片

圖2 吊臂構件及主焊縫示意圖

目前,吊臂主焊縫主要采用實心焊絲熔化極氣體保護焊技術進行焊接。接頭一般設計成對接形式,開V形或Y形坡口,在平焊位置進行多層多道焊接[4-5]。為了控制焊接變形,一側的一道焊接完成后需翻轉工件,焊接另一側；一般需要多次翻轉工件,交替完成兩側焊接。在此種生產方式下,焊縫熔透不穩定,不能實現單面焊雙面成形,背面成形難以保證質量；焊接熱輸入高,焊接變形大；焊材消耗量大；焊接制造效率低、成本高。

國內外起重機的產品競爭主要表現在吊臂的制造品質、制造效率及制造成本的競爭。起重機吊臂的制造品質主要體現在焊接質量,要確保吊臂在壽命期內不發生斷裂、彎曲或影響正常使用的質量事故,對焊縫內部的質量、外部成形質量及相關力學性能有嚴格的質量標準要求。吊臂的直線度是影響吊臂穩定、可靠工作的一項主要品質指標。采用現有的焊接制造技術和方法,焊接制造過程中焊縫及周邊產生較大熱變形,導致吊臂直線度變化是目前國內企業與國際相關龍頭企業在產品品質上的主要差距。

激光-MAG復合焊是一種新興的優質高效焊接技術,其基本原理是將激光熱源與電弧熱源通過旁軸或同軸的方式相結合,作用在同一熔池形成一種高效復合熱源進行焊接。該焊接方法在一定條件下能夠實現穩定的單面焊雙面成形,保證焊縫背面的質量要求,同時具有焊接速度快、熔深大等優點,在許多領域都得到了成功應用[6-7]。哈爾濱焊接研究院有限公司制造的輪式起重機吊臂激光-熔化極電弧復合焊接系統在工程機械行業得到應用,該系統采用平焊位置多層多道焊接,改善了現有實心焊絲熔化極氣體保護焊工藝無法解決的背面自由成形及熔透可靠性問題,提高了焊接制造效率,減小了焊接變形[8-9]。據有關資料介紹,變形減少48%,焊絲填充量下降30%,效率明顯提高。但該方法仍然采用平焊位置焊接,需要翻轉吊臂進行兩側主焊縫的焊接,每次翻轉時焊接停止,占用一定的時間,設備有效利用率受到影響,焊接變形雖然比原有方法有明顯減少,但與國際水平尚有差距。同時板厚大于4 mm的接頭仍然開Y形坡口,每條焊縫進行兩層兩道的焊接,吊臂需要翻轉3次。

2 吊臂焊接制造新技術方案

在對起重機吊臂的結構、材質、板厚、主焊縫特征及焊接制造質量要求的基礎上,針對吊臂主焊縫的焊接,提出了一套優質、高效的焊接解決方案并開展了相應焊接方法和焊接工藝的研究工作。方案的核心技術稱為“起重機吊臂激光-MAG復合高效橫焊技術”,該方案的要點如下。

(1)將吊臂現有的主焊縫平焊位置焊接改成橫焊位置焊接,工件一次裝夾定位不再翻轉。如此,若采用單個機器人的方案進行焊接,可以在保證焊接質量要求的前提下省去工件翻轉時間,增加焊接作業時間,進一步提高制造效率；如若采用雙機器人雙側主焊縫同時對稱焊接的方案,不但焊接效率可以再提高一倍,更為重要的是雙側主焊縫同時對稱焊接,可以大幅度減少焊接變形,提升吊臂直線度精度,使其達到吊臂產品的世界制造水平和優質產品。

(2)焊接接頭設計成I形對接(等厚或不等厚)接頭,不開坡口,減少焊材消耗,省去開坡口工序,提高作業效率。

(3)采用自行研發的激光-MAG復合高效橫焊技術和吊臂主焊縫激光-MAG復合電弧一層一道橫焊焊接工藝,通過激光-MAG電弧穩定可靠的小孔效應,實現單面焊雙面成形,焊縫背面熔透良好,正面成形滿足質量要求,并且焊接速度可達1 m/min以上。

3 高效激光-MAG復合橫焊工藝

針對上述方案,開展了大量的相應工藝技術研究,文中僅列舉部分研究內容進行說明。

3.1 試驗方案

圖3為激光-MAG復合橫焊原理示意圖。試件的焊縫處于橫焊位置,激光束垂直于試件表面,激光束在水平面內與MAG焊槍夾角θ為20°～30°,光絲間距d為1～3 mm。試驗采用最大激光功率為4 kW的光纖激光器,焦距為300 mm,光斑直徑0.4 mm。

圖3 激光-MAG復合橫焊原理示意圖

3.2 試驗材料

試板材料選用起重機吊臂目前常用的高強鋼Q800E,板厚分別為4 mm,6 mm,其化學成分見表1,主要力學性能見表2。焊絲采用GM-100,焊絲直徑1.2 mm；保護氣采用80%Ar+20%CO2。試驗前用角磨機和鋼絲刷去除試板表面氧化膜,用丙酮或者酒精去除試板表面油污。

3.3 接頭設計

針對起重機吊臂的典型結構及板厚尺寸,設計了三種類型的坡口形式：①上蓋板和下蓋板板厚相同的I形坡口對接接頭,如圖4a所示；②上蓋板和下蓋板板厚不相同的I形坡口對接接頭。由于實際吊臂的最大板厚差為2 mm,該試驗上蓋板和下蓋板分別采用4 mm和6 mm的板厚進行試驗,如圖4b所示；③上蓋板和下蓋板存在10°自然角度的I形坡口對接接頭。該試驗上蓋板和下蓋板分別采用4 mm和6 mm的板厚進行試驗,如圖4c所示。

表1 Q800E鋼的化學成分(質量分數,%)

表2 Q800E鋼的主要力學性能

圖4 不同I形坡口對接接頭示意圖

3.4 試驗參數

通過大量的試驗研究和工藝優化,實現了激光-MAG復合橫焊高速穩定焊接和穩定的單面焊雙面成形。主要工藝參數見表3。

3.5 試驗結果

3.5.1 可行性驗證試驗

針對吊臂三種典型坡口形式,進行激光-MAG復合橫焊工藝試驗,觀察焊接過程可以發現,激光能夠實現穩定穿孔,MAG電弧穩定,無焊接飛濺,焊接熔池無下淌現象。

圖5為焊縫外觀成形及斷面形貌照片,可以看出,焊縫正面成形良好,未出現咬邊、熔池下淌等焊接缺陷,焊縫背面熔透均勻一致,滿足焊縫外觀成形要求。

表3 焊接工藝參數

圖5 焊縫外觀成形及斷面形貌

從試驗結果看,激光-MAG復合橫焊技術能夠實現吊臂主焊縫三種典型接頭的單面焊雙面成形及單層單道焊接。與現有激光-MAG復合平焊技術相比,減少坡口加工工序,焊接速度提高到1 m/min,而且焊接過程無需翻轉工件,可顯著提高焊接效率,實現高效焊接。在焊材消耗方面,由于該工藝不需要開坡口(I形坡口),可大幅節省焊接材料。

3.5.2 工況適應能力試驗

在實際焊接生產過程中,原材料、坡口加工、拼接組對、工裝夾具等有尺寸誤差,都會導致吊臂主焊縫接頭的間隙、錯邊及激光焦點位置和工件位置等參數存在誤差。

按表3的工藝參數,改變組對間隙、錯邊、激光焦點位置和工件位置進行試驗,研究激光-MAG復合橫焊對實際生產工況的適應能力。

圖6和圖7分別顯示的是等板厚I形坡口和不等板厚I形坡口對焊接時,間隙和錯邊大小對焊縫成形的影響。

圖6 間隙和錯邊對焊縫成形的影響(等板厚I形坡口)

圖7 間隙和錯邊對焊縫成形的影響(不等板厚I形坡口)

試驗表明,間隙在1.5 mm以內時,焊縫正面成形飽滿、均勻美觀,焊縫背面熔透良好。如果繼續增大間隙,焊縫正面無法填滿,將出現下塌和咬邊缺陷。同時,由于間隙過大,激光光束將從間隙穿過,不能實現與MAG電弧的復合作用,造成背面不能焊透。錯邊大小主要影響激光的穿透能力及正面成形,試驗表明,錯邊1.5 mm時,激光仍然能夠實現穩定穿孔,焊縫成形能夠滿足要求。該工藝能夠適應最大1.5 mm間隙和最大1.5 mm錯邊同時存在的工況。

以上結果表明,對于等板厚和不等板厚兩種工況的I形坡口對接接頭,激光-MAG復合橫焊工藝對間隙和錯邊的適應范圍都在0～1.5 mm范圍內。

圖8顯示的是10°自然角I形坡口對接時,間隙和錯邊對焊縫成形的影響。該種工況相當于開V形坡口進行焊接,需要的填充金屬較大,當間隙和錯邊大于1 mm時,使用表3的規范焊接,焊縫正面無法填滿,焊縫成形效果較差。激光-MAG復合橫焊工藝對10°自然角I形坡口對接間隙和錯邊的適應范圍為0～1.0 mm。

圖9為激光焦點位置對焊縫成形影響的典型照片。可發現,激光焦點作用在焊縫中心線兩側1 mm范圍之內時,焊縫兩側熔合情況都比較良好,能夠滿足實際生產要求。

圖8 間隙和錯邊對焊縫成形的影響(10°自然角I形坡口)

圖9 焦點位置對焊縫成形的影響

研究表明,焦點作用在薄板一側的焊縫背面熔寬比焦點作用于厚板一側的略大,這與焊縫兩側的散熱條件不同有關[10]。如果焦點位置偏離焊縫中心1 mm以上,焊縫容易出現熔合不良甚至未熔合現象。

實際工程中,由于工裝、平臺或吊臂自身形狀的誤差,可能會引起吊臂傾斜一定角度。圖10為吊臂左右傾斜角度對焊縫成形影響的典型照片,可以看出,左右傾斜在5°范圍以內時,激光-MAG復合橫焊的焊縫成形良好,滿足實際工程要求。

圖10 工件位置對焊縫成形的影響

3.5.3 性能檢測

依據國家標準GB/T 3323—2005《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》對激光-MAG復合焊橫焊焊縫進行X射線檢測,焊縫內部未發現圓形缺陷和條形缺陷,也未發現未焊透、根部內凹及根部咬邊等缺陷,結果符合I級焊縫標準。

依據國家標準GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》和 GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》檢測激光-MAG復合橫焊焊接接頭的拉伸和沖擊性能,結果見表4和表5。

表4 Q800E鋼焊接接頭拉伸試驗結果

表5 Q800E鋼焊接接頭沖擊試驗結果

由拉伸試驗結果可知,焊接接頭的抗拉強度顯著高于Q800E高強鋼的最低抗拉強度。因此,Q800E高強鋼激光-MAG復合橫焊焊接接頭抗拉強度合格,滿足工件實際應用要求。

由于吊臂筒體的厚度較薄,采用非標準尺寸試樣(2.5 mm×10 mm×55 mm)進行沖擊試驗,沖擊吸收能量也按比例減小,即該試驗中沖擊吸收能量大于6.75 J(表1中Q800E最低沖擊吸收能量的四分之一)即滿足要求。由表5可以看出,焊接接頭各個位置的沖擊吸收能量均為最低規定值的2倍以上,焊接接頭沖擊性能良好,滿足工件實際應用要求。

4 結論

(1)激光-MAG復合高效橫焊技術通過激光小孔效應能夠穩定高效地實現起重機吊臂主焊縫的單面焊雙面自由成形,焊縫外觀質量、接頭拉伸性能和沖擊性能滿足相關工程應用標準。

(2)該技術對吊臂主焊縫接頭的間隙、錯邊及激光焦點位置和工件位置的實際工況適應能力較強,能夠適應行業現有的前道工序下料、成形及組對工藝的要求。

(3)實際工程應用中,焊接速度可達1 m/min,實現高效橫焊焊接。

(4)不開坡口的I形對接接頭設計,以及兩側同時橫焊,減少了坡口加工量,省去了工件翻轉工序,提高焊接制造效率,并可顯著減少焊材消耗,降低了吊臂焊接制造成本。