安存勝 聶福全

1. 問題提出

工業(yè)起重機(jī)主梁一般為長條箱形梁結(jié)構(gòu)，箱型梁截面如圖1所示，主要由上蓋板、下蓋板、兩側(cè)腹板組焊而成，材料一般為Q235A。在兩側(cè)腹板焊接時(shí)，由于腹板材料板厚較薄，多數(shù)為8~10mm，且結(jié)構(gòu)類型屬于典型的“長條”形結(jié)構(gòu)，長度一般為18.5~31.5m，所以主梁在制作時(shí)，采用的是先在蓋板上劃線，再將腹板按所劃線焊接在上蓋板上，然后翻轉(zhuǎn)梁盒將腹板和下蓋板焊接在一起。

由于腹板較長較薄的結(jié)構(gòu)特性，故此種方式制作主梁時(shí)腹板和上蓋板不易對正，不能保證腹板和上蓋板的準(zhǔn)確貼合，焊接質(zhì)量不好，而腹板和上蓋板焊接后引起的焊接變形，也使腹板和下蓋板對正更加困難，從而造成腹板波浪變形比較大。腹板波浪變形較大時(shí)，一是容易造成產(chǎn)品外觀質(zhì)量較差，二是容易造成箱型梁的力學(xué)性能發(fā)生變化，嚴(yán)重影響起重機(jī)主梁的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，因此需要在焊接過程中應(yīng)量避免。

圖1 主梁剖面結(jié)構(gòu)

2. 變形原因分析

腹板焊接時(shí)造成波浪變形較大的主要原因：一是腹板材料板厚較薄，屬于典型的“長條”形結(jié)構(gòu)，在焊接過程中受焊接應(yīng)力影響產(chǎn)生變形；二是焊接工藝和焊接參數(shù)不當(dāng)需要改進(jìn)，以減小焊接變形；三是焊接過程缺乏必要的定位及反變形工藝裝備，容易造成焊接變形無規(guī)律可循，變形難以控制；四是組焊過程中由于各零件下料過程中存在一定誤差，組焊定位靠劃線保證，組焊時(shí)零件貼合不準(zhǔn)，焊接收縮變形較大，也容易造成腹板焊接時(shí)“波浪度”較大。

3. 采取的措施

（1）材料的優(yōu)化 在腹板材料選擇上，一些企業(yè)往往使用鋼板卷開平板，由于卷板在開平過程中會在材料內(nèi)部形成較大的應(yīng)力，即使后期采用拋丸處理，卷板開平后的應(yīng)力也難以徹底消除，所以該焊接應(yīng)力非常容易在腹板焊接過程中釋放出來，從而引起腹板焊接變形，形成較大的“波浪度”。因此，為控制腹板焊接變形量，應(yīng)采用“中板”代替開平板，同時(shí)中板在使用前應(yīng)在自然環(huán)境下放置一段時(shí)間，充分消除鋼板在軋制過程中的應(yīng)力，盡可能減少板材應(yīng)力對焊接變形的影響。此外在主梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上應(yīng)進(jìn)行充分優(yōu)化，以綜合力學(xué)性能較好的Q345B材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Q235A材料。由于上述兩種材料碳當(dāng)量基本相當(dāng)，焊接工藝性能接近，所以對焊接工藝的影響不大。但由于Q345B材料自身力學(xué)性能較好、抗變形、抗撓度、能力較強(qiáng)，因此在焊接時(shí)應(yīng)力變形較小，從而降低腹板“波浪度”焊接變形傾向。同時(shí)通過使用Q345B材料，在設(shè)計(jì)上也可以減小零件尺寸結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對等使用條件下的起重機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)和“低凈空”效果，從而起到多重優(yōu)化效果。

（2）焊接工藝優(yōu)化 腹板與上下蓋板焊接屬于典型的直通長焊縫形式，主要為“上下左右”四道長焊縫，一次焊接量大、焊接熱量大；同時(shí)由于主梁結(jié)構(gòu)尺寸較大，不宜通過工件翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)“對稱焊接”工藝，因而腹板焊接變形的產(chǎn)生幾率就高。

為解決上述問題，可采用先手工焊的方式將腹板與上下蓋板點(diǎn)焊固定，然后再采用多層多道焊工藝，為保證生產(chǎn)效率，在點(diǎn)焊固定后，腹板在不開坡口焊接時(shí)，一道角焊縫直接達(dá)到焊腳尺寸；腹板開坡口焊接時(shí)，第一次打底填充，第二次一道蓋面角焊縫應(yīng)直接達(dá)到焊腳尺寸（大小一般為6mm或8mm），焊接參數(shù)如附表所示。焊接裝備采用半自動埋弧焊方式，采用低電壓、小電流、慢焊速的參數(shù)，焊接過程中不斷使用錘擊的方法降低焊接應(yīng)力，焊接完成后，立即采用振動時(shí)效進(jìn)行二次應(yīng)力消除。

（3）設(shè)計(jì)組焊接工裝 為確保板面貼合 在焊接過程中，為確保工件之間的相互“貼合”，消除由于組對誤差形成的間隙對焊接變形的影響，在腹板焊接過程中可使用如圖2所示的龍門式主梁組焊機(jī)。該焊機(jī)為自行式，液壓夾緊機(jī)構(gòu)，使用時(shí)將主梁放置在工裝龍門架中間，兩邊液壓推桿將腹板固定在主梁合適位置并固定，然后實(shí)施定位焊，將腹板固定在主梁上。為提高使用效果，可在主梁焊接時(shí)在主梁兩端同時(shí)使用該工裝，通過工裝兩頭配合使用，可充分消除焊接“間隙”，提高焊接效率和質(zhì)量。

（4）采用增加定位塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)代替劃線定位，確保板材定位準(zhǔn)確 為提高腹板與其他零件焊接前的組對精度，消除采用劃線組對工藝的缺陷，可采用如圖3所示的方法，在腹板焊接前增加定位工藝板的方式來提高組對精度，即將上工藝板（垂直邊向外）和上蓋板焊接在一起，下工藝板以45°角和下蓋板焊接在一起，然后將腹板緊貼上工藝板與上蓋板焊接在一起，最后翻轉(zhuǎn)梁盒，利用下工藝板的傾斜角使下工藝板滑入腹板內(nèi)。通過工藝定位板實(shí)現(xiàn)了各零件板材的準(zhǔn)確定位，然后將下蓋板和腹板定位焊連接在一起，這樣不僅有效消除劃線定位的種種缺陷，而且在焊接過程中還能起到較好的防位移作用，實(shí)現(xiàn)蓋板和腹板的準(zhǔn)確連接，減小腹板波浪變形。

焊接參數(shù)

圖2 采用主梁組焊工裝焊接腹板

圖3 工藝定位板

4. 結(jié)語

上述措施具有易實(shí)現(xiàn)、工藝性好、生產(chǎn)效率高及精度控制好的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中對起重機(jī)主梁腹板焊接變形控制非常有效，腹板波浪度全部小于國家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還可以有效提高生產(chǎn)效率，降低工人的勞動強(qiáng)度，具有較好的應(yīng)用效果。