封閉式盒形結構梁焊接工藝設計研究

申 晨，梁志方，王 佳，馬 杰，魏兆峰

(山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治 046000)

0 引言

盒形梁結構是一種經典的焊接承力結構，通過盒形結構梁組合而成的整體封閉式焊接框架結構具有承載能力大、防腐性能好的特點，因而廣泛應用于特種車和航天地面設備的支撐、起豎等結構上。盒形梁的截面形式為典型的盒形結構，具有焊縫密集、焊接質量要求高、焊接變形難以控制等特點，因此盒形結構梁焊接技術是航天地面設備生產的關鍵技術。

1 封閉式盒形梁結構介紹

圖1和圖2是典型的盒形梁結構，主要由各蓋板、立板和加強筋焊接而成，其中蓋板與立板之間為單側坡口焊，加強筋為角焊縫，蓋板和立板多采用10 mm～25 mm左右的Q345中厚板，用于承受主要載荷，承力性能良好。

圖1 典型盒形梁三維結構 圖2 承力位置盒形梁結構

2 焊接缺陷及原因分析

Q345板材屬于低碳合金鋼，焊接性能良好。焊接方法采用混合氣體保護焊，焊絲為ER50-6。盒形梁不同位置的框架均為封閉結構，部件整體焊接完成后在外側加工坡口，組對成整體部件時再一次形成封閉結構。各盒形結構采用厚度為20 mm及以上的厚板，具體接頭形式及坡口尺寸見表1。為滿足裝配要求，設計圖紙要求各板鈍邊≥2 mm，這樣設計能保證裝配質量并能防止焊接時產生燒穿等缺陷，但是這樣的接頭形式可達性差，根部無法焊到，在對封閉接頭焊接時，由于無法清根，極易在根部鈍邊處產生夾雜及未融合等焊接缺陷[1]。圖3為盒形梁斷面結構圖，盒形梁要求在四周各板上開坡口并且全熔透，坡口形式為鈍邊2 mm，坡口角度50°±5°。工廠焊接了一件盒形梁試驗件，經超聲波探傷，50%以上的焊縫根部存在未融合和氣孔缺陷，未融合深度約1 mm～2 mm。在對根部未融合缺陷進行返修時，主要是通過機械打磨來清理缺陷，返修工作量大，同時在返修時由于接頭位置增加，增加了焊接缺陷產生的幾率，返修成功率低。

圖3 封閉式盒形梁斷面結構圖

表1 封閉式盒形梁常用接頭形式及坡口尺寸

因此，封閉式盒形梁結構的焊接質量已成為困擾其生產順利進行的技術障礙，須立項攻關解決。

3 解決措施

3.1 總體思路

對盒形梁焊縫成型不達標的原因進行分析，采用單面焊雙面成型的技術進行解決，從坡口形式、焊接方法、焊接參數和環境等幾個方面進行控制，提高焊接質量。

經過分析，工廠現使用的焊接方法主要為混合氣體(CO2+Ar)保護焊，該焊接方法采用短路過渡時，不能按細顆粒過渡方法設計坡口，同時允許較小的鈍邊，甚至可以不留鈍邊；又因為這時的熔池較小，融化金屬溫度低，黏度大，搭橋性能良好，所以間隙大些也不會燒穿[2]。

3.2 項目實施方案

3.2.1 改進封閉結構最后兩道焊縫的坡口形式

對于角接接頭的封閉焊縫，將封閉焊縫的坡口形式改為銳鈍邊，即將2 mm鈍邊減小至0～0.5 mm，同時裝配時應保證根部間隙為2 mm～3 mm，這樣就能解決焊槍不可達、根部無法熔透的問題，從而保證根部良好的熔合和成型[3]。但是這樣的接頭形式，在焊接第一層焊道時極易燒穿，焊接時應重點控制。焊接時應采用單面焊雙面成型技術，在坡口根部進行組裝定位時，按焊接時的不同操作手法留出不同的間隙，對坡口形式和尺寸的加工精度應進行嚴格控制，保證焊絲能到達根部附近，使運條方便。

3.2.2 根部焊接時改進焊接方法

對于對接接頭的焊縫，采用手工鎢極氬弧焊或氣體保護焊、電弧焊焊接第一道反面成型焊縫，然后再用混合氣體(CO2+Ar)保護焊焊接工藝填滿坡口。對于能在背面清根的焊縫，為了達到完全熔透的目的，允許在焊接時進行機械清根后再進行焊接；對于清根操作困難的焊縫，應將其鈍邊改為銳鈍邊，允許在其背面先焊接一道角焊縫，然后再在正面進行施焊。

3.3 實施效果

為驗證改進后方案的焊接效果，將以上確定的改進方法投入焊接試板進行焊接試驗，摸索工藝參數。通過對試板的焊接，總結出了一套確實可行的工藝參數，保證在進行坡口正面焊接時，就能在坡口的正、背兩面都得到均勻整齊、成型良好、符合質量要求的焊縫。焊接工藝參數見表2，焊接試板試驗情況見圖4。通過無損檢測，所有焊縫均達到了技術要求，表面質量也得到了提升和改善。封閉式盒形結構梁上所有坡口焊縫質量要求達到GB/T11345—1989《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》標準中B級Ⅰ類，所有焊縫表面質量達到JB/T4730.4—2005《承壓設備無損檢測第4部分：磁粉檢測》Ⅱ級水平。

圖4 焊接試板試驗情況

表2 焊接工藝參數

4 效果驗證

經過工藝試驗驗證，改進后的工藝方案合理，通過對不同接頭形式和工藝方法的改進，使封閉式盒形結構梁焊接質量顯著提高，根部未融合及夾雜的情況大為減少，保證了焊接質量。該項成果已在某型臺體生產中得到了應用，并通過了加載試驗考核，滿足使用要求。

5 結論

封閉式盒形結構梁的焊接成型質量直接影響到航天地面設備的性能及任務指標。通過本次攻關掌握了封閉式盒形結構的焊接成型技術，有效地解決了其焊接成型困難的問題，提高了焊接質量，在中厚板單面焊雙面成型技術上取得了進一步提升與改進。該項技術可廣泛應用于其他封閉式焊接結構的生產中，如重要的焊接式車架、吊具等重要的承力結構件。