唐 立

（東莞尚源木業(yè)有限公司，東莞 523146）

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機(jī)械設(shè)備加工過(guò)程中厚板焊接工藝的應(yīng)用

唐 立

（東莞尚源木業(yè)有限公司，東莞 523146）

摘 要：本文主要分析了機(jī)械設(shè)備加工過(guò)程中厚板焊接工藝的應(yīng)用。通過(guò)不斷改進(jìn)和更新厚板焊接工藝，有效控制焊接中的缺陷，確保能夠完全滿足焊接機(jī)械設(shè)備的實(shí)際需求，從而提高加工機(jī)械設(shè)備的整體質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)備 加工 厚板焊接工藝

隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，加工項(xiàng)目變得越來(lái)越大型，設(shè)備也變得更加重型化和大型化。機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)加工過(guò)程中，焊接厚鋼板逐漸成為主要的技術(shù)困難。實(shí)際進(jìn)行焊接時(shí)，如果具備超過(guò)100mm厚度鋼板時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)一定的焊接質(zhì)量問(wèn)題，如過(guò)多裂紋和焊縫、不能滿足實(shí)際規(guī)范等。從分析形成焊接缺陷的影響因素基礎(chǔ)出發(fā)，依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)備焊接規(guī)范需求，不斷改進(jìn)和更新焊接工藝，完善焊接厚鋼板工藝流程，可以在一定程度上有效解決焊接缺陷問(wèn)題。

1 焊接中存在的缺陷

在焊接厚鋼板過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些避不可免的問(wèn)題和缺陷，主要發(fā)生在裂縫附近和焊縫周圍，不能完全滿足焊接厚鋼板實(shí)際需求，從而影響機(jī)械設(shè)備加工焊接的整體質(zhì)量，甚至嚴(yán)重影響設(shè)備運(yùn)行或者報(bào)廢設(shè)備。加工設(shè)備焊縫以及附近出現(xiàn)裂紋，多是因?yàn)楹附釉O(shè)備時(shí)沒(méi)有進(jìn)行足夠的保溫或者預(yù)熱。同時(shí)，由于操作等相關(guān)因素，也會(huì)出現(xiàn)夾渣和表面氣孔。這是因?yàn)楹附釉O(shè)備的時(shí)候，加工設(shè)備表面會(huì)出現(xiàn)很多孔縫，且存在夾渣。因此，在加工機(jī)械設(shè)備的過(guò)程中，需要保證焊縫表面沒(méi)有焊瘤和裂縫等缺陷，1、2級(jí)別焊縫表面不可以存在渣、氣孔、電弧擦傷、弧坑裂紋等問(wèn)題和缺陷[1]。

2 機(jī)械設(shè)備加工過(guò)程中的厚板焊接工藝

分析機(jī)械設(shè)備加工過(guò)程中厚板焊接工藝時(shí)，主要的應(yīng)用鋼板是厚度為200mm的Q235A普通碳素鋼板。

第一，開(kāi)破口。焊接厚鋼板時(shí)，應(yīng)適當(dāng)形成雙面V型破口。第二，進(jìn)行焊前清理。在正式焊接設(shè)備前，需要及時(shí)清理破口和破口兩側(cè)30～50mm范圍內(nèi)存在的水分、油脂、雜質(zhì)、鐵銹、氧化皮等。第三，烘干焊條。依據(jù)焊接機(jī)械設(shè)備的國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在使用堿性焊條進(jìn)行焊接前，需要對(duì)焊條進(jìn)行300～350℃烘干，也可以依據(jù)加工制造標(biāo)準(zhǔn)保溫2小時(shí)焊條。在焊接機(jī)械設(shè)備時(shí)，需要在100℃范圍保溫桶中合理存放焊條[2]。第四，控制層間和預(yù)熱溫度。因?yàn)榫邆?00mm厚度的鋼板，在正式焊接前需要對(duì)鋼板進(jìn)行預(yù)熱。這是十分重要的焊接加工工序，預(yù)熱時(shí)需符合鋼板厚度以及其中的C含量。氣保焊焊接和焊接堿性焊條時(shí)，需要具備180～200℃的預(yù)熱溫度，同時(shí)還需合理應(yīng)用電加熱，保持均勻的預(yù)熱溫度。焊接設(shè)備時(shí)，需要存在200～400℃的層間溫度。如果中斷焊接，則需要重新進(jìn)行預(yù)熱。第五，

控制熱輸入的焊接參數(shù)，如表1所示。

表1 焊接機(jī)械設(shè)備參數(shù)

第六，焊接操作。使用多層多道焊的焊接方式。薄焊層窄焊道，不可以隨意擺動(dòng)立焊部位。此外，立焊過(guò)程中，擺動(dòng)的時(shí)候也不可以超過(guò)20mm。第七，為了確保焊接機(jī)械設(shè)備的整體質(zhì)量，在完成焊接整體厚度的1/2和1/4時(shí)，需要適當(dāng)進(jìn)行中間UT探傷，以及時(shí)發(fā)展和解決焊接過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，及時(shí)返修，從而保證焊接設(shè)備的整體質(zhì)量。一般情況下，在進(jìn)行兩次返修后，如果還是會(huì)出現(xiàn)焊接缺陷，此時(shí)需要暫停焊接和返修，待充分考慮各種因素后，再進(jìn)行返修和焊接。返修焊接設(shè)備時(shí)，相較正常溫度來(lái)說(shuō)，預(yù)熱溫度需要適當(dāng)高出30～50℃[3]。焊縫返修工藝示意圖如圖2所示。一是清除焊接缺陷時(shí)，合理應(yīng)用碳弧氣爆，之后把其打磨形成U破口，直到表面，光亮不存在滲碳層和氧化皮為止；二是基本形式為碳?xì)馀倨瓶?，半徑不小?的圓滑破口底部，平整的破口斜面，20°左右的斜面夾角；三是檢測(cè)打磨部位時(shí)應(yīng)用PT方式，以保證能及時(shí)清理干凈缺陷。

圖1 焊縫返修工藝示意圖

第八，焊后消氫處理。完成焊接后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行后預(yù)熱處理，250～300℃的后預(yù)熱處理溫度，需要進(jìn)行3～4小時(shí)保溫。完成后熱處理后，在設(shè)備上合理覆蓋石棉以及其他保溫材料進(jìn)行冷卻處理，以確保能夠符合室溫標(biāo)準(zhǔn)。第九，焊接完成48小時(shí)后，應(yīng)該依據(jù)《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)法》GB11345國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或者相關(guān)檢測(cè)規(guī)范，對(duì)焊接設(shè)備最終進(jìn)行UT探傷。完成UT探傷后，需要后熱處理設(shè)備[4]。

3 焊接殘余應(yīng)力

焊接殘余應(yīng)力實(shí)際上就是熱應(yīng)力，重疊加入可變應(yīng)力。在進(jìn)行焊接的時(shí)候，焊接區(qū)域熔化速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，材料受熱膨脹。受附近冷區(qū)域的影響，出現(xiàn)熱應(yīng)力。升高受熱區(qū)域溫度后會(huì)降低屈服極限，部分超過(guò)局部屈服極限而形成熱壓縮，冷卻后會(huì)縮短區(qū)域，所以上述區(qū)域會(huì)出現(xiàn)一定殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力就是沒(méi)有受到荷載時(shí)構(gòu)件的應(yīng)力，屬于自相平衡內(nèi)應(yīng)力系統(tǒng)，即殘余應(yīng)力在所有荷載面上都存在拉力和壓力、內(nèi)力以及內(nèi)力矩平衡[5]。

4 計(jì)算殘余應(yīng)力

完成焊接后，測(cè)量焊接殘余盈利的時(shí)候使用切條法。機(jī)械設(shè)備研磨或者加工焊縫表面的時(shí)候，需要保證平整。在焊道上合理貼上電阻應(yīng)變片，依據(jù)線切割方式合理測(cè)量焊縫表面垂直焊縫方向和焊縫方向中存在的應(yīng)變釋放量。在試件中心大約50mm范圍內(nèi)限定測(cè)量實(shí)際范圍，能夠合理得到垂直焊縫放線和焊縫方向上存在的釋放應(yīng)變。依據(jù)下述式（1）、（2）分別計(jì)算焊縫橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力：

其中，v是材料泊松比，E是彈性模量，取198.5GPa彈性模量值，泊松比是0.3。

4.1 計(jì)算溫度場(chǎng)

厚板焊接的時(shí)候，在輸入熱不是很大的基礎(chǔ)上，殘余應(yīng)力低。所以，應(yīng)該合理使用等密度體積熱源的方式來(lái)模擬焊接熱輸入。在分析已經(jīng)獲得焊縫截面的前提下，對(duì)熱源截面形狀進(jìn)行定義，具備一致的單元長(zhǎng)度和等體積密度熱源長(zhǎng)度是5.25mm。在計(jì)算溫度的時(shí)候，依據(jù)式（3）計(jì)算熱源單位體積、單位時(shí)間、熱流密度。

其中，U是電弧電壓，η是電弧效率，VH是熱源體積，I是焊接電流。

在計(jì)算溫度場(chǎng)的時(shí)候，合理應(yīng)用非線性傳熱方程，有效分析內(nèi)部焊接工件電弧熱的傳導(dǎo)過(guò)程。此外，還應(yīng)該分析內(nèi)部環(huán)境、工件輻射以及對(duì)流[6]。

4.2 計(jì)算焊接殘余應(yīng)力

在計(jì)算殘余應(yīng)力的時(shí)候，應(yīng)該具備符合虎克定律的彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。利用線膨脹系數(shù)來(lái)有效分析和計(jì)算熱應(yīng)變，密賽斯準(zhǔn)則分析塑性形變，在計(jì)算殘余盈利的時(shí)候合理研究高溫力學(xué)性能。由于存在相對(duì)比較明顯的奧氏體不銹鋼加工硬化，所以計(jì)算過(guò)程中應(yīng)依據(jù)各向同性硬化準(zhǔn)則來(lái)有效分析加工材料硬化的實(shí)際作用和效果。此外，還應(yīng)該充分分析退火效應(yīng)，假設(shè)具備800℃退火溫度。相較熱處理來(lái)說(shuō)，退火是不同的概念。退火效應(yīng)就是說(shuō)在硬化加工設(shè)備材料后，當(dāng)材料符合退火溫度時(shí)，會(huì)失去材料硬化加工歷史。冷卻降低到退火溫度后，材料能夠繼續(xù)進(jìn)行硬化加工。在有限元模型中分析的時(shí)候，如果存在高于退火溫度的溫度，則具備為0的索性應(yīng)變，且加工材料溫度處于退火溫度以上的硬化加工系數(shù)也是0[7]。

假設(shè)具備相同的母材和焊縫金屬力學(xué)性能。計(jì)算焊接殘余應(yīng)力的時(shí)候，為了避免出現(xiàn)相對(duì)較高的焊接殘余應(yīng)力，需要詳細(xì)分析焊縫金屬性能給焊接殘余應(yīng)力帶來(lái)的影響。在實(shí)際進(jìn)行實(shí)施時(shí)，因?yàn)闆](méi)有外加約束條件，因此模擬過(guò)程中的數(shù)值約束僅僅是避免出現(xiàn)剛體位移的條件。焊接殘余應(yīng)力雖然能夠在構(gòu)件表面上自相平衡，但是會(huì)在一定程度上影響設(shè)備剛度，從而影響構(gòu)件設(shè)備整體承載力、條形切割方式（即在實(shí)驗(yàn)中切割試件，便于釋放殘余應(yīng)力，僅僅測(cè)量比較大殘余應(yīng)力的構(gòu)件）[8]。

5 結(jié)束語(yǔ)

加工機(jī)械設(shè)備過(guò)程中，焊接厚鋼板屬于復(fù)雜的施工過(guò)程。焊接加工的時(shí)候，需要充分分析多方面因素，保證焊接整體質(zhì)量，從實(shí)際加工生產(chǎn)中合理分析和總結(jié)焊接厚鋼板的經(jīng)驗(yàn)，分析焊接工藝和殘余應(yīng)力的影響，為以后發(fā)展大型設(shè)備提供依據(jù)和保障。

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Application of Plate Processing Machinery and Equipment Welding Technology

TANG Li
(Dongguan Shang Yuan Wood Industry Co.，Ltd., Dongguan 523146)

Abstract:This arti cle mainly analyzes the mechanical equipment in the proces s of thick plate welding proces s applications. Through continuous improvement and update of thick plate welding process, effective control of the welding defects, make sure you are able to fully meet the actual needs of welding machinery and equipment, thereby improving the overall quality of the processing machinery and equipment.

Key words:mechanical equipment for processing, thick plate welding process