工程機(jī)械行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，挖掘機(jī)行業(yè)是工程機(jī)械行業(yè)的主要組成部分，近年來國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展給挖掘機(jī)制造提供了很大的發(fā)展空間，產(chǎn)品的品種、產(chǎn)量均有大幅度提高。挖掘機(jī)被廣泛應(yīng)用于公路、橋梁、建筑、養(yǎng)殖池等工程的施工。挖掘機(jī)械一般由動力裝置、傳動裝置、行走裝置和工作裝置組成。挖掘機(jī)主要部件如上車平臺、履帶架、動臂、斗桿、挖掘機(jī)挖斗均采用焊接結(jié)構(gòu)。隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，先進(jìn)焊接技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，焊接結(jié)構(gòu)在挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)中占的比重越來越大，其中有板材的焊接件，也有鑄造件、鍛造件和板材的混合焊接件。無論從焊接零件的數(shù)量還是按零部件的重量計算，焊接結(jié)構(gòu)件所占的比例一般都在65%以上，可見焊接工藝在挖掘機(jī)整機(jī)生產(chǎn)過程中所占有的重要地位。

本人從2005年進(jìn)入挖掘機(jī)生產(chǎn)行業(yè)開始，先后就現(xiàn)代系列挖掘機(jī)和特雷克斯系列小挖的結(jié)構(gòu)件焊接工藝結(jié)合生產(chǎn)實際作了大量基礎(chǔ)性研究，對下料方法、折彎要求、工裝制作及定位、點焊及反變形設(shè)計、焊接規(guī)范參數(shù)、焊接順序、校形等技術(shù)取得了初步經(jīng)驗，積累了必要的數(shù)據(jù)。

本文即對挖掘機(jī)重要結(jié)構(gòu)件焊接制作工藝過程研究所取得的主要經(jīng)驗進(jìn)行的總結(jié)。

1-1、挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件用材料及其焊接性

目前挖掘機(jī)焊接結(jié)構(gòu)件所采用的鋼材大部分為低合金鋼，其中Q345(16Mn)的應(yīng)用最廣泛，其它還包括國產(chǎn)的Q235、Q295、HQ60、HQ100等日本產(chǎn)SS400、SM490等，美國T-1，德國STE690。下表是Q345的化學(xué)成分及力學(xué)特性：

表1. Q345的化學(xué)成分及力學(xué)特性

鋼的焊接性是指鋼對焊接加工的適應(yīng)性，即在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)良焊接接頭的難易程度（工藝焊接性），以及材料在施工條件下，焊接成按規(guī)定要求設(shè)計的構(gòu)件，并滿足預(yù)先服役要求的能力（使用焊接性）[1]。焊接性受母材、焊接方法、構(gòu)件類型及使用要求四個方面因素的影響。工藝焊接性是指材料經(jīng)焊接加工后形成完整焊接接頭的能力，通常以材料對形成諸如裂紋、氣孔等焊接缺陷敏感性的大小，以及所采取的工藝措施的復(fù)雜程度來比較工藝焊接性的優(yōu)劣。使用焊接性是指材料經(jīng)焊接加工所形成的焊接接頭能滿足產(chǎn)品制造技術(shù)條件及安全服役要求的程度，結(jié)構(gòu)及其所采用的材料不同，具體要求和指標(biāo)也不同。

1-1-1、焊接冷裂紋

由于裂紋是最危險的焊接缺陷，生產(chǎn)中常常把焊接裂紋作為重要的考核項目，對低合金鋼而言，熱影響區(qū)淬硬傾向大的鋼因急冷易產(chǎn)生焊接冷裂紋，嚴(yán)重降低接頭的塑形。決定這類鋼的熱影響區(qū)淬硬性的主要因素之一是碳當(dāng)量CE。碳當(dāng)量CE計算公式為：

CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15[2]

經(jīng)驗表明，當(dāng)CE＜0.4時，鋼材的淬硬傾向不大，焊接性優(yōu)良，焊接時不預(yù)熱；當(dāng)CE=0.4%～0.6%時，鋼材的淬硬傾向增大，焊接時要采取預(yù)熱，控制焊接工藝參數(shù)、緩冷或消除擴(kuò)散氫等工藝措施；當(dāng)CE＞0.6%時，鋼材的淬硬傾向強(qiáng)，屬于難焊的鋼材，需要采取較高的余熱溫度和嚴(yán)格的工藝措施。挖掘機(jī)主體用鋼Q345的碳當(dāng)量計算過程為：CE=0.02+1.6/6+0.15/5=0.32＜0.4，故挖掘機(jī)主體結(jié)構(gòu)部分焊接性較好，焊接冷裂紋敏感性小，無需采取預(yù)熱和緩冷等工藝措施。

1-1-2、沖擊韌性

母材和焊接區(qū)如有如有足夠的強(qiáng)度、塑形和缺口韌性，則表明焊接結(jié)構(gòu)具有可靠的使用性能。對低溫下服役的挖掘機(jī)焊接結(jié)構(gòu)件，其V型缺口沖擊值的下限值要達(dá)到所規(guī)定的溫度韌性保證值，以防止結(jié)構(gòu)在載荷下的脆性破毀。特雷克斯系列挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件主體材料Q345D的焊接接頭沖擊試驗值如下表：

表2.Q345D鋼焊接接頭沖擊韌性

焊接區(qū)特別是焊接過熱區(qū)的的沖擊韌性，由于熱輸入影響會使其下降。因此在焊接過程中應(yīng)合理選擇規(guī)范，盡量控制合理的焊接熱輸入。

1-2、挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件焊接材料、工藝方法及裝備

1-2-1、焊接材料選擇

挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件焊接材料的選擇要根據(jù)結(jié)構(gòu)材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、焊接工藝性、使用工況、焊接件的形狀復(fù)雜程度及剛性、現(xiàn)場焊接設(shè)備和環(huán)境等因素綜合考慮。具體的原則如下幾方面：

（1）等強(qiáng)或低強(qiáng)度匹配原則，一般按照挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件用鋼的強(qiáng)度來選擇相應(yīng)強(qiáng)度等級的焊接材料，有時對受力情況復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，也選用比母材強(qiáng)度等級低一級的焊接材料。

（2）選用低氫焊接材料，為了改善挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件焊接接頭的抗冷裂性能，要求采用低氫焊接材料，即焊條電弧焊采用低氫型焊條，二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊絲要選擇擴(kuò)散氫含量低的焊絲，一般來說藥芯焊絲的擴(kuò)散氫含量高于實芯焊絲，所以優(yōu)先考慮使用實芯焊絲。

（3）工作條件和使用性能，低溫溫工況使用的選用低溫用鋼焊接材料，受振動載荷和沖擊載荷的要選用強(qiáng)度、塑性、韌性高的焊接材料。

（4）操作工藝性，根據(jù)焊縫空間位置選用適合平焊、立焊、仰焊以及全位置焊接材料[3]。

1-2-2、工藝方法及裝備

選擇焊接方法應(yīng)兼顧焊接制造質(zhì)量和生產(chǎn)效率，目前挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件焊接普遍采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，采用自動或半自動二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊工藝的占70%以上，有些結(jié)構(gòu)件焊接生產(chǎn)為了提高效率還采用焊接專機(jī)、焊接機(jī)器人，目前大量焊接機(jī)器人工作站用于斗桿、鏟斗、動臂以及履帶架的焊接。

2、挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件焊接變形控制

挖掘機(jī)主要結(jié)構(gòu)件都是箱型結(jié)構(gòu)，使用鋼板厚度大部分在4～40mm之間，板厚規(guī)格跨度非常大，相應(yīng)所采用的焊接工藝參數(shù)變化范圍較大，導(dǎo)致焊接熱出入及焊接熱溫度場的不均勻。因而如果在焊接過程中控制不當(dāng)，焊接變形會很大，嚴(yán)重挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工質(zhì)量以及整機(jī)的裝配性。

2-1、焊接變形的主要形式及產(chǎn)生原因

挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件的焊縫主要設(shè)計形式為對接焊縫和角焊縫，焊接變形主要為角變形、收縮變形，此外還有扭曲變形。

從宏觀上來講，在焊接材料及焊接方法一定的情況下，挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生焊接變形的主要原因有：

（1）結(jié)構(gòu)型式設(shè)計不當(dāng)，焊接時容易發(fā)生變形；

（2）焊接接頭的型式、焊縫布置不合理；

（3）控制焊接變形的工藝方法應(yīng)用不當(dāng)。

結(jié)構(gòu)件焊接變形的根本原因是所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力的不均勻性，造成應(yīng)力不均勻的原應(yīng)主要是焊接過程中在構(gòu)件區(qū)域內(nèi)存在不均勻的溫度場。因此，控制焊接變形就必須控制焊接應(yīng)力。通常來講，在焊接方法一定的情況下可以從以下兩個方面進(jìn)行考慮，一是將構(gòu)件固定，阻止其變形，然后經(jīng)過拋丸、整體熱處理等后續(xù)工藝處理方法使應(yīng)力釋放；二是使結(jié)構(gòu)件不受拘束而自由收縮，使釋放應(yīng)力后的工件尺寸達(dá)到設(shè)計要求。

挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件的焊接變形，會影響生產(chǎn)工藝流程的正常進(jìn)行，使結(jié)構(gòu)件的外形尺寸和尺寸精度嚴(yán)重超差，焊后矯正焊接變形，使生產(chǎn)成本增加，還會增加機(jī)加工、裝配等后續(xù)工序的難度，并且焊接變形還會降低結(jié)構(gòu)的承載能力，會造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等諸多不良后果。因此，根據(jù)焊接變形的不同形式，去控制和消除挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件的焊接變形十分重要。

2-2、控制焊接變形的方法

控制焊接變形的方法很多，各種方法的具體應(yīng)用要根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)形式、鋼板厚度、焊接方法等具體情況決定。通過實踐證明，對挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件而言，主要從控制焊接變形的工藝方法入手，通過以下控制焊接變形方法的應(yīng)用或幾種方法綜合應(yīng)用可以有效的控制結(jié)構(gòu)件的焊接變形。

2-2-1、反變形法

    以動臂為例進(jìn)行說明，根據(jù)生產(chǎn)中已經(jīng)發(fā)生的變形規(guī)律，預(yù)先把焊件人為地加工產(chǎn)生一個變形，使這個變形與焊后發(fā)生的變形方向相反而數(shù)值相等，這種方法稱反變形法。挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件中的動臂和斗桿均屬于細(xì)長形結(jié)構(gòu)件，焊接變形主要是焊縫縱向收縮引起的。通過對焊接生產(chǎn)中焊接變形的變形量大小的計算以及生產(chǎn)過程中現(xiàn)場驗證，確定合適的反變形量，使焊接后的變形量正好與反變形量抵消，達(dá)到產(chǎn)品的設(shè)計要求。對于理論計算焊縫縱向收縮量的大小可以參考以下計算公式：

△   L=（k1×FH×L）/F[4]

式中：△L—縱向收縮量，mm

k1—變形系數(shù)，與焊接方法及母材材料有關(guān)，其數(shù)值可由表1查��；

FH—焊接截面面積，mm2；

L—結(jié)構(gòu)長度，mm；

F—構(gòu)件截面積，mm2。

表3焊接結(jié)構(gòu)件的變形系數(shù)值

根據(jù)以上公式計算現(xiàn)代11噸挖掘機(jī)動臂的焊接收縮量如下：

△   L=（k1×FH×L）/F

△   L=（0.043×128×3700）/6400

△   L=3.182

因此，在焊接點裝過程中，在工裝定位動臂前后兩端的定位點間距要人為放大約3mm。然后對放大長度的動臂進(jìn)行施焊，焊后尺寸L的公差在1mm左右，完全滿足了焊接件后續(xù)機(jī)加工的要求。

2-2-2、剛性固定法

焊接前將易變形的工件加以固定來限制和減小焊接變形的方法稱為剛性固定法。特別是對結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，焊縫設(shè)計不對稱得構(gòu)件，焊縫主要集中在工件的一側(cè)時剛性固定法可以很好地控制焊接變形。常見的方式是點焊拉筋，使用剛性軸，工裝剛性制約以及依靠工件背對背互相制約變形的方法，都可以達(dá)到控制焊接變形的目的。

使用剛性固定法來控制焊接變形量現(xiàn)在已經(jīng)普遍應(yīng)用于挖掘機(jī)實際生產(chǎn)中，并取得了良好效果。

2-2-3、制定合理的焊接順序

焊接件的焊接順序會給結(jié)構(gòu)件焊接變形帶來較大的影響，所以要針對不同的結(jié)構(gòu)形式制定合理的焊接順序。合理的焊接順序會使焊縫自由收縮，故要焊接收縮大的焊縫以及工作時受力大的焊縫。以下是制定合理焊接順序的原則：

（1）對稱焊縫盡量采用對稱焊接；

（2）不對稱的焊縫先焊接短而小、焊縫少的一側(cè)；

（3）對于長焊縫采取分段退焊法、中間分段退焊法、跳焊法以及交替焊法。

但是也要根據(jù)結(jié)構(gòu)實際狀況采取相應(yīng)措施。以下是挖掘機(jī)履帶架的焊接順序：

由于焊縫呈對稱分布，故采用對成焊接：

上：F-RH→S-R-RH→F-LH→S-R-LH→R-LH→S-F-LH→R-RH→S-F-RH

下：R-RH→S-F-LH→R-LH→S-R-LH→F-LH→S-R-RH→F-RH→S-F-RH

2-2-4、多層多道焊接工藝次序和方向

多層多道焊可以提高焊縫金屬的質(zhì)量，特別是塑性，這是因為后層焊縫對前層焊縫具有熱處理的作用，相當(dāng)于對前層焊縫進(jìn)行了一次正火處理，因而改善了二次組織采用多層多道焊可以有效減少熱輸入，從而有效減小了熱變形量。而多層多到漢時正確的焊接次序及方向可以抵消焊接結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生的應(yīng)力及應(yīng)變。在動臂箱體焊接過程中，多層多道焊接次序為：1→2→3→4→5→6→7→8→9→10→11→12

3、結(jié)論

結(jié)構(gòu)件是挖掘機(jī)的骨架，挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量直接決定挖掘機(jī)整機(jī)的裝配性能和使用性能，以及挖掘機(jī)在服役期間發(fā)生故障的幾率。挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)在采用先進(jìn)設(shè)備手段的同時努力從在焊接工藝方面來提高結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量。本文是對本人在5年工作中對挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件工藝的人實際研究經(jīng)驗的總結(jié)，概括起來有以下幾點：

（1）挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件使用材料的強(qiáng)度等級、鋼材的碳當(dāng)量CE較低，材料的焊接性良好；

（2）挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件焊接材料選擇遵循等強(qiáng)或低強(qiáng)度匹配，盡量采用工藝性好的材料；

（3）焊接變形對挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件質(zhì)量影響很大，可以通過剛性固定法、反變形法、制定合理焊接順序及采用多層多道焊接來有效控制焊接變形，保證結(jié)構(gòu)件質(zhì)量，提高挖掘機(jī)整機(jī)的可靠性及使用壽命。

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