重載底座焊接工藝研究

吳春德 駱新營 高楊 申晨 李臣達 曹茂林

摘要：隨著科技的進步，大型結構件的焊接已取得很大改善，但對于焊縫質量等級較高、結構復雜重型底座的焊接仍是一大難題，焊接缺陷依然伴隨整個焊接過程，焊縫質量很難達到QJ176B-2016《地面設備熔焊技術條件》中Ⅰ級要求，長期負載使用存在安全隱患。針對這一難題，本文以某型號產品底座為例，從焊接方法選取、焊接過程控制、應力消除等幾個方面著重分析研究，提出了一套能提高焊縫質量、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級合格率達到90%。該工藝方法在重載底座的成功使用，為焊縫質量要求較高的大型框架類結構件的焊接提供借鑒。

關鍵詞：重載底座;焊接缺陷;焊接變形

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

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.14

0? ? 前言

在航空航天領域中，底座作為一種常見的大型承載結構件，承載著數百噸甚至上千噸載荷，長期服役于惡劣環境，在交變動載的作用下，焊縫的抗疲勞強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，焊縫質量等級按QJ176B-2016《地面設備熔焊技術條件》中Ⅰ級設計。在焊接過程中焊接應力及變形不可避免，焊件冷卻后必然存在殘余應力和應力集中，而這是降低焊接結構疲勞強度的主要因素。實際生產中重載底座多采用MAG焊，焊后經射線探傷，多處出現夾渣、氣孔、微裂紋等缺陷，主要分布在焊縫兩側、根部、交叉焊縫處、層與層之間，無法達到Ⅰ級焊縫要求，多次返修，工作量巨大，嚴重阻礙產品的生產進度，且返修失敗報廢的也不少，損失嚴重。在降本增效的大環境下，必須做出改變[1-5]。

文中提出一套提高焊縫質量、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90%，以期為同類產品的焊接提供經驗。

1 底座材料及其結構分析

以某產品底座為例，結構如圖1所示，該底座由上法蘭、下法蘭、側板1、側板2、側斜板、外弧板組焊而成，材質均為低合金鋼Q355B。其中上法蘭及下法蘭為110 mm厚的鋼板，側板1、側板2及側斜板為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，側板、側斜板、外弧板均為對接焊縫，坡口形式如圖2所示，底座外側、內腔均為坡口焊縫，各焊縫交叉部位存在多處死角，焊接時存在應力集中現象。

底座母材Q355B鋼，其化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。

Q355B碳當量為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，較厚鋼板焊接時必須預熱，避免產生焊接缺陷。

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）內腔焊接時產生空氣對流，減弱了保護氣體對熔池的保護，削弱了電弧穩定性，焊縫成形不理想，容易出現焊接缺陷。

（3）內腔焊接中出現磁偏吹現象，電弧不穩定，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向強制拘束共同作用下易產生層狀撕裂。

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

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

（7）交叉焊縫存在應力集中。

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

3 焊接方法選取

目前，大型黑色金屬結構件常用的焊接方法有埋弧焊、CO2氣體保護焊、混合氣體保護焊、焊條電弧焊等。埋弧焊側重用于厚板大坡口、長焊縫、平焊和平角焊，具有電弧及焊縫質量穩定、焊接效率高等優點，是一種比較經濟的焊接方法，在大型結構件焊接中備受青睞。CO2氣體保護焊焊槍輕便、靈活，不受結構形狀和場地限制，但受環境影響較大，抗風能力較差，焊接效率低于埋弧焊，主要應用于坡口較小、短焊縫的焊接。焊條電弧焊可達性較好，可實現全位置焊接，受環境影響較小，但焊接效率低，在生產中很少使用，在其他焊接均不理想的情況下被動使用。

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

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，為了避免產生層狀撕裂和裂紋等缺陷，焊前采用中頻感應式或中性火焰對坡口進行150～250 ℃局部預熱。T型接頭焊腳尺寸20 mm，均采用多層多道焊接，焊接順序：先焊外側圓周焊縫，再焊接外側平直焊縫，最后焊內腔焊縫。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，在焊接結束時延遲熄弧時間2～3 s，避免產生弧坑及裂紋，焊接工藝參數見表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，因此適當加入氬氣提高電弧穩定性。選用φ（CO2）20%+φ（Ar）80%混合氣體進行保護，氣體流量為15～20 L/min，其他參數見表3。焊前注意清理焊縫兩側水分、油污、鐵銹等，防止氫氣孔的產生。焊接手法采用上坡焊，焊接過程需不斷挑弧，增加熔深，電弧到焊縫兩端應適當停留2～3 s，避免焊縫兩端出現未熔合現象。焊完一道停止焊接，待焊縫緩冷，焊道溫度略高于預熱溫度后再開始下一道焊接。進行下一層焊接前，需用鋼絲刷清理飛濺和雜質。蓋面焊時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，堿性焊條E5015，φ3.2 mm，其他參數見表3，焊條使用前放置于保溫箱烘干，烘干溫度300～500 ℃。焊接前，內腔焊縫需碳弧氣刨清根，清除焊接缺陷，并用角膜機去除積碳層。將焊機推力電流調整至最小可適當減少焊接過程中的磁偏吹現象。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，及時發現過程缺陷。電弧在焊縫中間擺動稍快，坡口兩邊適當多停留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夾渣、未焊透、未熔合等現象。焊接過程如圖6所示。

5 焊接殘余拉應力的控制與消除

底座作為大型重載焊接結構，其焊接結構復雜，不僅存在較高的拉伸殘余應力，且焊縫部分存在焊趾缺陷、接頭應力集中，單一方法很難有效控制，需采用多種方法相結合，多步驟、多工序預防、控制，并貫穿整個焊接過程。首先焊前對焊縫兩側進行局部預熱，預熱溫度150～250 ℃，以減小焊接接頭的冷卻速度，從而達到減小焊接應力的目的。每焊完一道焊縫，沿著焊縫進行錘擊，釋放焊接應力，錘擊之后立即使用石棉布對焊縫進行保溫，緩冷一段時間再進行下一道焊接。焊后處理：三軸交叉焊縫采用TIG焊進行重熔，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，同時形成過渡均勻的重熔區，減少應力集中，改善焊接接頭疲勞強度;其余焊縫則采用角磨機進行打磨，清除尖角，使焊縫圓滑過渡，避免尖角產生的應力集中。為了更大程度地消除殘余應力，最后一道工序采用振動時效來消除焊接殘余應力。通過焊前預熱、焊接過程控制、焊后焊縫打磨、TIG重熔、振動時效等多種方法進行處理后，采用磁性法對底座焊縫進行殘余應力測量，結果發現，殘余應力明顯降低，顯著增強了焊縫抗疲勞能力，提高了底座壽命。

多次采用上述焊接方法及焊接工藝規程進行試驗，焊后采用射線探傷和超聲波探傷，對焊縫進行無損檢測未發現裂紋，90%焊縫達到了QJ176B-2016《地面設備熔焊技術條件》的Ⅰ級要求，有效減少了返修次數，提高了焊縫質量，對焊縫的抗疲勞性有較大的改善。

6 結論

（1）大型重載底座結構復雜，長期重載服役，對焊縫質量要求很高，單一的焊接方法已無法保證底座的焊縫質量，返修工作量大且困難，返修多次重復加熱，會導致熱影響區晶粒粗大，塑性和韌性降低，脆性增大，后續在動載荷的作用下很容易發生脆性斷裂。根據底座結構形式采用不同的焊接方法，合理的焊接規范可以更好地保證焊縫質量。

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

（3）焊接內腔過程中產生空氣對流，影響電弧穩定性、對熔池防護不利，不宜采用混合氣體保護焊。

（4）焊縫的抗疲勞性較差主要源于焊接內應力。可通過焊前預熱、錘擊焊道、打磨圓滑焊縫、振動時效等方法，分步多重控制消除焊接應力，最后達到基本消除殘余應力的目的，提高焊縫的抗疲勞能力。

參考文獻：

陳祝年，陳愛茂.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2018.

劉云龍.焊工技師手冊[M].北京：機械工業出版社，1998.

唐國強.大型結構件焊接變形控制[J].現代礦業，2017（2）：158-165.

張劍峰，孫立雄，袁俊，等.京滬高速南京大勝關長江大橋鋼梁焊接技術[C].第十四次全國焊接學術會議論文集，2009.

張少伍，范湘生，賀龍明，等. Q345C鏟運機大臂的焊接工藝[J].熱加工工藝，2012（17）：193-195.