江蘇大學(xué) 東海機(jī)械汽配研究院 江蘇連云港 222300

1 研究背景

隨著市場對塔式起重機(jī)產(chǎn)品性能要求的不斷提高,塔式起重機(jī)的制造噸位也越來越大。由于自身結(jié)構(gòu)、制造和工作環(huán)境等方面的特點,塔式起重機(jī)在生產(chǎn)、運輸和使用過程中會伴隨一系列潛在的危險。

塔式起重機(jī)屬于典型的桁架式結(jié)構(gòu),主要由鋼結(jié)構(gòu)件組成。這些鋼結(jié)構(gòu)件包括角鋼、鋼板、鋼管,多采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊接構(gòu)成,材質(zhì)為Q235鋼、Q345鋼和少許合金鋼。焊接質(zhì)量的好壞,將直接影響鋼結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量和安全。在使用中,由塔式起重機(jī)自身焊縫質(zhì)量問題導(dǎo)致的安全事故不在少數(shù)。通過分析焊接過程中的焊縫缺陷,提出有效的改進(jìn)措施,提高產(chǎn)品的質(zhì)量,具有重要社會和經(jīng)濟(jì)價值。

2 常見焊縫缺陷

目前,塔式起重機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)件在焊接時基本采用手工氣體保護(hù)焊,受條件和人員限制,很容易產(chǎn)生焊縫缺陷。主要焊縫缺陷包括氣孔、夾渣、未焊透、未熔合、裂紋、外觀不良、咬邊、焊瘤、燒穿等。焊縫缺陷中,外部缺陷可以通過觀察、檢驗尺檢驗、滲透探傷、磁粉檢驗等發(fā)現(xiàn),而內(nèi)部缺陷則不易發(fā)現(xiàn),需要通過射線、超聲波等方法進(jìn)行檢驗[1-2]。受到經(jīng)濟(jì)能力、技術(shù)水平和設(shè)備能力限制,部分企業(yè)對生產(chǎn)過程中的焊逢質(zhì)量控制不嚴(yán),檢測流于形式,對存在的焊接缺陷沒有及時發(fā)現(xiàn)改正,導(dǎo)致事故頻發(fā)?？梢?在生產(chǎn)環(huán)節(jié)預(yù)防和減少焊縫缺陷尤為重要。主要焊縫缺陷如圖1所示。

圖1 主要焊縫缺陷

3 焊縫缺陷危害

存在焊縫缺陷會削弱塔式起重機(jī)的承載力和疲勞強(qiáng)度,產(chǎn)生應(yīng)力集中,影響裝配質(zhì)量。焊縫開裂,嚴(yán)重時可導(dǎo)致塔式起重機(jī)傾倒、斷臂等機(jī)毀人亡的重大事故[3-5]。塔帽、回轉(zhuǎn)塔身、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、頂升架、起重臂、平衡臂等關(guān)鍵部件,不允許有未焊透、未熔合和幾何尺寸變化等缺陷。

常見焊縫缺陷的危害如下:

(1) 不均勻焊縫導(dǎo)致的外觀成形缺陷,會產(chǎn)生應(yīng)力集中、承載力削弱或裝配困難等問題;

(2) 焊縫的高度、寬度和飽滿度等質(zhì)量會影響鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度[6-7];

(3) 弧坑處存在很大隱患,容易導(dǎo)致氣孔、夾雜,也是形成撕裂的危險部位之一;

(4) 咬邊會導(dǎo)致應(yīng)力集中;

(5) 電流過大會形成燒穿,導(dǎo)致氣孔、夾雜等,降低承載力;

(6) 未焊透會導(dǎo)致連接處鋼結(jié)構(gòu)的熔合度不合格,容易引起裂紋,導(dǎo)致斷裂危險。

因焊縫質(zhì)量引起的典型安全事故如圖2所示。圖2(a)中,某項目部使用的QTZ40塔式起重機(jī)發(fā)生倒塌事故,檢查發(fā)現(xiàn)焊縫熱影響區(qū)存在裂紋。圖2(b)中,某施工現(xiàn)場的QTZ63塔式起重機(jī)發(fā)生倒塌事故,檢查發(fā)現(xiàn)下部基礎(chǔ)節(jié)焊縫處有陳舊裂紋。

圖2 典型安全事故

4 焊縫缺陷原因分析

4.1 焊縫外觀成形缺陷

這一類型缺陷主要包括焊縫外觀不均勻、魚鱗焊縫、焊瘤、飛濺等,一般是在操作過程中由于電源不匹配,電弧、電壓選擇不當(dāng),焊絲進(jìn)給速度不當(dāng)或操作人員人為因素造成的。此外,氣體純潔度不高或含水分高、保護(hù)氣體不均勻流出、風(fēng)速較大、焊絲質(zhì)量不佳等原因會造成氣孔。焊接電流過大、焊接速度過慢會造成焊瘤[8]。

4.2 焊縫尺寸缺陷

主要包括焊縫高度、寬度、長度不合格,以及未焊滿,主要由操作過程中電流、電壓未按工藝卡執(zhí)行,或焊條進(jìn)給速度不均勻等造成。

4.3 弧坑

主要產(chǎn)生原因是進(jìn)給速度太快,熔化的焊條沒有填滿焊道。弧坑處的雜渣氣孔較多,也會伴有裂紋。

4.4 咬邊

由于焊接工藝參數(shù)選擇不當(dāng),電流過大、電壓過高或操作方法不正確,使沿焊趾的母材部位產(chǎn)生溝槽或凹陷,沒有將熔化的金屬填補到缺口。另一方面,焊接池?zé)崃考?、溫度過高,也會導(dǎo)致咬邊。

4.5 未焊透

坡口角度或間隙過小、鈍邊過長、坡口邊緣不齊或裝配不良,以及焊接工藝參數(shù)選用不當(dāng),會導(dǎo)致未焊透缺陷。此外,當(dāng)焊接的熔融金屬偏離焊道中心或焊接電流較小而焊接速度過快時,也會導(dǎo)致未焊透缺陷。

5 應(yīng)對措施

在施焊過程中,焊接工藝設(shè)計、焊前準(zhǔn)備、操作、設(shè)備、環(huán)境、責(zé)任心等都會影響焊接質(zhì)量。針對主要影響因素,提出應(yīng)對措施,從而避免焊縫缺陷,提高焊接質(zhì)量,確保塔式起重機(jī)的安全。

5.1 焊接工藝

焊接工藝對整個焊接質(zhì)量起關(guān)鍵性作用。首先,焊接工藝的設(shè)計需要由具有一定經(jīng)驗和能力的焊接工程師來完成,并對焊接電流、電壓、速度、焊絲、氣體、極性等做詳細(xì)規(guī)定[9-11],通過焊接工藝評定的方式來確保設(shè)計的合理性和實用性。其次,焊接現(xiàn)場要確保焊接工藝能夠被正確執(zhí)行。再次,要根據(jù)焊接現(xiàn)場反饋信息及時修訂焊接工藝。

根據(jù)母材厚度、焊接位置、焊接速度、材質(zhì)等確定所對應(yīng)的焊接電流。二氧化碳焊機(jī)調(diào)節(jié)電流的實質(zhì)是調(diào)節(jié)送絲速度,因此,二氧化碳焊機(jī)的焊接電流必須與焊接電壓相匹配,要保證送絲速度與焊接電壓對焊絲的熔化能力一致,以保證電弧長度的穩(wěn)定性。一般而言,可以通過經(jīng)驗公式確定焊接電流[12]:

I=10d2

(1)

式中:I為焊接電流,A;d為焊條直徑,mm。

通常,立焊電流應(yīng)比平焊電流小15%～20%,橫焊和仰焊電流應(yīng)比平焊電流小10%～15%。

焊接電壓為焊接提供能量,電壓越高,能量越大,焊絲熔化速度越快,焊接電流也就越大。焊接電壓等于焊機(jī)輸出電壓減去焊接回路的損耗電壓[12]。

如果焊機(jī)安裝符合安裝要求,那么損耗電壓主要為電纜加長所帶來的電壓損失。在焊接電纜需要加長的情況下,調(diào)節(jié)焊機(jī)的輸出電壓時可以參考表1所示電壓損失。

表1 電壓損失值

根據(jù)焊接條件選定相應(yīng)板厚的焊接電流,然后根據(jù)公式計算焊接電壓。當(dāng)焊接電流小于300 A時,焊接電壓為4%焊接電流值加16 V。當(dāng)焊接電流大于300 A時,焊接電壓為4%焊接電流值加20 V。

電壓偏高時,弧長較長,飛濺顆粒較大,易產(chǎn)生氣孔,焊道較寬,熔深和余高較小。電壓偏低時,焊絲插向母材,飛濺較多,焊道較窄,熔深和余高較大。

在焊接電壓和焊接電流一定的情況下,確定焊接速度應(yīng)保證單位時間內(nèi)焊縫具有足夠的熱量。焊接熱量三要素之間的關(guān)系為[12]:

Q=I2Rt

(2)

式中:Q為熱量;R為電弧及電流伸長的等效電阻;t為焊接速度。

半自動焊時,焊接速度為0.30～0.60 m/min。自動焊時,焊接速度可達(dá)2.50 m/min以上。焊接速度過快時,焊道較窄,熔深和余高較小。

焊絲分為實心焊絲和藥芯焊絲?？梢砸罁?jù)GR/T 5293—2018《埋弧焊用非合金鋼及細(xì)晶粒鋼實心焊絲、藥心焊絲和焊絲-焊劑組合分類要求》與GB/T 8110—2008《氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》選用焊絲。

作為電弧的介質(zhì),二氧化碳?xì)怏w純度要求不低于 99.5%,含水量不高于0.05%。對于瓶裝液態(tài)氣體,1 kg液態(tài)二氧化碳可釋放509 L氣體,一瓶液態(tài)二氧化碳可釋放15 000 L左右氣體,可使用10～16 h。焊接電流小于350 A時,氣體流量為15～20 L/min。焊接電流大于350 A時,氣體流量為20～25 L/min。

二氧化碳焊一般都采用直流反極性。

5.2 焊前準(zhǔn)備

班組長在每天的班組會議中提出焊前準(zhǔn)備要求,具體包括人員和設(shè)備狀況檢查、焊接材料處理、環(huán)境隱患排除等。

5.3 適用工裝

依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)特點及尺寸設(shè)計焊接工裝,保證焊接結(jié)構(gòu)件的尺寸和焊接質(zhì)量。例如,設(shè)計控制起重臂拉桿長度的焊接工裝,可以提高焊接速度,并能有效避免起重臂的下?lián)蠁栴}。

5.4 焊接材料

檢查電源、母材、焊絲、保護(hù)氣體、儲氣裝置等焊接設(shè)備是否滿足要求。

6 結(jié)束語

確保塔式起重機(jī)的焊接質(zhì)量,是保證塔式起重機(jī)安全的重中之重。應(yīng)當(dāng)從焊接工藝及生產(chǎn)全過程各要素抓起,預(yù)防和減少焊縫缺陷,提高焊接質(zhì)量,保證塔式起重機(jī)的可靠性和安全性。