起重機臺車架半環(huán)組焊工藝

□ 吳慶富 □ 李永福 □ 李靜宇 □ 張杰義 □ 韓艷紅

河南衛(wèi)華重型機械股份有限公司 河南新鄉(xiāng) 453400

1 工藝背景

起重機臺車架半環(huán)廣泛應(yīng)用于起重機臺車架、端梁和整體小車架上,根據(jù)焊接位置不同分為上半環(huán)和下半環(huán)兩部分,呈中心對稱。

筆者介紹起重機臺車架半環(huán)組焊工藝,按照鑄鋼件外形尺寸采用50 mm厚鋼板條余料進行切割下料、壓制、焊接、粗車加工,再與起重機臺車架整體精加工,裝配使用,提高資源利用效率,降低生產(chǎn)成本,節(jié)能降碳,符合綠色制造要求。

2 半環(huán)制造形式

起重機臺車架裝配體如圖1所示。半環(huán)制造形式有鑄鋼件、整板套料切割、半環(huán)組焊三種備料形式。鑄鋼件使用最早、最廣泛、最方便,成本也最低,缺點是會產(chǎn)生氣孔、裂紋、夾渣等鑄造缺陷。整板套料切割材料來源方便,套料切割后易加工,無缺陷,缺點是材料利用率低,成本最高。

半環(huán)組焊采用50 mm厚鋼板條余料,壓制后拼焊為圖紙形狀,來料簡單,能夠最大化利用資源,總成本與鑄鋼件接近。半環(huán)組焊符合綠色制作要求,達到綠色設(shè)計的目的。半環(huán)組焊焊縫連接是起重機金屬結(jié)構(gòu)最主要的連接形式。半環(huán)組焊的缺點是工藝路線長,人工費高,由此在技術(shù)、工藝、管理方面需要對焊接質(zhì)量嚴(yán)格控制。

▲圖1 起重機臺車架裝配體

3 工藝要求

半環(huán)圖樣如圖2所示。無論采用何種備料形式,都需要對半環(huán)銑接合面,粗車加工兩側(cè)端面,粗車內(nèi)孔,再與起重機臺車架上部整體精加工孔和內(nèi)外端面,保證內(nèi)孔、厚度公差及表面粗糙度符合設(shè)計要求。

4 半環(huán)組焊結(jié)構(gòu)

按照整板下料的圖紙尺寸,設(shè)計得到一個圓弧板和兩個鉆孔耳板共三件半環(huán)組焊結(jié)構(gòu),如圖3所示。圓弧板采用50 mm×85 mm×560 mm Q355B鋼板條余料下料,然后壓制為圓弧板,打三面坡口。兩側(cè)鉆孔耳板采用鋼板條余料切割為40 mm×85 mm×123 mm方塊,打坡口后組焊在一起,留7 mm×2 mm鈍邊。半環(huán)焊接坡口如圖4所示。

▲圖3 半環(huán)組焊結(jié)構(gòu)

▲圖4 半環(huán)焊接坡口

5 壓制工裝

壓制半環(huán)的圓弧板在使用鋼板條余料切割下料時,受鋼板條余料各向異性對彎曲變形的影響,應(yīng)盡量使關(guān)鍵的彎曲線與鋼板條纖維方向垂直,否則在彎曲件外側(cè)容易形成裂紋。

壓制工裝如圖5所示,由安全擋板、上模、下模組成,需要安裝在框架式壓力機上。壓制工裝夾緊過程中,能夠保持工件定位時所獲得的正確位置,并保證自身在加工過程中不會產(chǎn)生松動或振動,同時避免產(chǎn)生變形。

6 圓弧板壓制

借用金屬板材單點漸進成形的數(shù)字化柔性成形技術(shù),不需要設(shè)計、制造專用模具,研究上壓模運行軌跡和局部變形情況。應(yīng)用SolidWorks軟件進行制圖,將模型轉(zhuǎn)換為x_t格式,導(dǎo)入ANSYS軟件進行一體化技術(shù)處理,包括幾何模型修改、網(wǎng)格劃分、力加載與求解、后處理,得到壓制成形的變形量和所需要的壓力值,初步設(shè)計上下模尺寸,使壓制后的圓弧板經(jīng)應(yīng)力釋放后尺寸滿足半環(huán)組焊要求,并保證焊接后加工余量均勻。使用的壓力機壓力經(jīng)模擬和驗算得出,留有一定余量。圓弧板采用自制的3 000 kN單缸油壓機壓制,液壓油流量為63 mL/r,油泵壓力為31.5 MPa。

▲圖5 壓制工裝

圓弧板壓制如圖6所示。壓制前清除待壓鋼板條割渣、毛刺,校平鋼板條,不得存在扭曲變形。壓制過程中應(yīng)逐漸試壓,觀察鋼板條應(yīng)變。壓制將要完成時,操作改為點動進行。壓制成形后反向點動提升上模,間隙約10 mm,釋放壓制過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。這一過程不得快速提升上模,防止半環(huán)應(yīng)力快速釋放崩出下模而發(fā)生安全事故。

▲圖6 圓弧板壓制

7 焊接工藝評定

焊接工藝規(guī)程是經(jīng)評定合格的書面焊接工藝文件,用于指導(dǎo)焊接操作者按要求焊接產(chǎn)品,是保證焊接質(zhì)量的主要技術(shù)文件。鋼板條厚度為50 mm,與起重機臺車架兩側(cè)板材質(zhì)相同、厚度一致,因此采用原起重機臺車架的焊接工藝規(guī)程,作為執(zhí)行文件。采用二氧化碳氣體保護焊接打底,多層多道焊接,焊條電弧焊蓋面。冬季焊接前預(yù)熱至100～150 ℃,焊接后覆蓋石棉被保溫。通過以上方法保證焊接質(zhì)量。在圓弧板壓制后,檢測外圓圓度及外徑φ440 mm合格,再打坡口留鈍邊,并校正兩側(cè)鉆孔耳板在同一平面,厚度方向中心對稱。焊接操作者經(jīng)培訓(xùn)后方可實施焊接,焊接后焊縫飽滿,打磨后采用超聲探傷,檢測等級達到標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10559—2006《起重機械無損檢測 鋼焊縫超聲檢測》中Ⅱ級焊縫的驗收準(zhǔn)則要求,再轉(zhuǎn)粗車加工工序。為減小變形,焊接時可用螺栓將兩件半環(huán)點焊在一起。若變形較大,則采取火焰加熱法矯正。應(yīng)用火焰局部加熱時產(chǎn)生的壓縮塑性變形,使較長的金屬在冷卻后收縮,從而矯正變形。

8 粗車加工

半環(huán)組焊實物如圖7所示。采用三爪自定心卡盤將組焊后的兩件半環(huán)裝夾在車床上,找正半環(huán)端面中心,保證左右端面及孔加工余量均勻。因為壓制會造成圓弧板外圓窄、內(nèi)圓寬等變形現(xiàn)象,所以需要在緊靠卡盤時加設(shè)有螺栓的活動墊片,保證墊片運轉(zhuǎn)時穩(wěn)定。裝夾牢固后,粗車外端面和內(nèi)孔,翻面粗車另一端面,保證厚度68 mm和內(nèi)徑φ355 mm尺寸,確保精加工余量。

▲圖7 半環(huán)組焊實物

9 制作成本對比

為了適應(yīng)市場需求,滿足合同交貨期,對半環(huán)的三種備料形式進行對比,為采購部門提供參考。

對于鑄鋼件,目前鑄鋼件市場單價為8 000元/t,半環(huán)毛坯的單件質(zhì)量為25 kg,則入庫毛坯單件價格為200元。受環(huán)保等因素影響,小型鑄鋼件采購困難,供貨周期無法保證。

整板套料切割如圖8所示,采用2 200 mm×4 200 mm×80 mm Q355B鋼板,應(yīng)用火焰數(shù)控切割機排版下料,共套料98件,單件質(zhì)量為21.64 kg,有效總質(zhì)量為2 121.27 kg,余料總質(zhì)量為3 681.45 kg,材料利用率為36.5%。按照入庫鋼板6 020元/t和廢鋼市場價3 670元/t計算,成品單件材料價格為218.59元。

▲圖8 整板套料切割

采用半環(huán)組焊,50 mm×85 mm×560 mm Q355B鋼板條余料壓制為圓弧板,兩側(cè)鉆孔耳板采用鋼板條余料切割為40 mm×85 mm×123 mm方塊,每件質(zhì)量為22 kg。按照鋼板5 400元/t、利用率90%計算,原材料價格每件約130元。壓制、組對、焊接等其它費用見表1。

表1 半環(huán)組焊單件費用 元

通過對比可知,鑄鋼件成本稍高于半環(huán)組焊,工藝路線最短,但受鑄鋼廠直接影響,存在因鑄造質(zhì)量、環(huán)保要求、異地供貨造成的斷貨風(fēng)險,影響后續(xù)機加工、裝配及交貨。采用整板套料切割,成本最高,工藝路線較短,對加工、裝配等后續(xù)工序可控,材料利用率低。采用半環(huán)組焊,成本與鑄鋼件接近,原材料利用率高,對加工、裝配等后續(xù)工序可控,不受環(huán)保等外部因素制約,缺點是人工成本高、工藝路線較長。可見,當(dāng)鑄鋼件采購困難時,從焊接人員、焊接設(shè)備、焊接材料、焊接工藝、焊接環(huán)境等五方面考慮,為保證制作質(zhì)量,半環(huán)組焊不失為最佳方案。

10 結(jié)束語

隨著國家節(jié)能減排和碳排放控制的推進,對高耗能材料嚴(yán)格控制、環(huán)保的要求越來越高。當(dāng)前,應(yīng)當(dāng)深入實施綠色制造,加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級,大力推進工業(yè)節(jié)能降碳,全面提高資源利用效率,并積極推行清潔生產(chǎn)改造。筆者公司根據(jù)實踐,采用起重機臺車架半環(huán)組焊工藝，利用鋼板條余料壓制圓弧板,來料簡單,總成本低,能最大化利用資源,符合節(jié)能降耗的政策要求,有一定的推廣價值。