大型养路机械大截面矩形管的焊接工艺.docx

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大型养路机械大截面矩形管的焊接工艺

工程机械大截面矩形管焊接

摘要：

工程机械中采用了大量矩形管，拼焊为结构件作为机械的承载及受力结构。

本文以DC-32捣固车车架结构中大量的矩形管焊接为例分析矩形管的焊接工艺，调整相应的结构参数和焊接工艺参数，防止焊接接头缺陷的产生，提高焊接接头机械性能，从而提高产品的使用寿命，减少损失，节约了材料。

关键词：

钢结构；焊接工艺，焊接参数；机械性能；

一、焊接工艺 

1.1焊接坡口设计

a.焊接坡口设计在焊接过程中是较薄弱的环节，主要是许多钢结构件的焊接坡口设计不是出自焊接工程技术人员之手，硬性套标准和工艺性的坡口屡见不鲜。

坡口形式对控制焊缝内部质量和焊接结构质量有着很重要的作用。

坡口设计必须遵循母材的熔合比，施焊空间，焊接位置和综合经济效益等问题。

（下图1为DC-32捣固车车架中部三角梁的实际焊缝。

）应先按下式计算横向收缩值ΔB。

ΔB=5.1Aω/t+1.27d （式中Aω——焊缝横截面积，mm³,t——板厚，mm，d——焊缝根部间隙，mm）

找出ΔB与Aω的关系后，即可根据两者关系列表分析，处理数据，进行优化设计，最后确定DC-32捣固车车架中部三角梁的对接焊缝破口形式（图2）。

图1图2

b.坡口间距对焊缝的影响也较为明显，坡口间距越大，应力值也有明显的增大。

离焊接接头不同距离的各点间的应力是不同的。

离熔合线越近，应力值越大；离熔合线越远，应力值越小。

坡口越大，需填充的金属越多，焊接时热作用时间越长，温度也越高，因而产生更大的应力。

坡口间距对机械性能的影响较小，但坡口间距对缺陷有较大的影响。

坡口间距越小，未焊透缺陷倾向增加。

所以，坡口间距间接地影响了焊接接头的强度，降低疲劳强度。

下图3为根据车辆实际应用要求得出的坡口间距尺寸。

图3

1.2坡口的清理

a.坡口应按规定形状、尺寸进行加工。

b.焊前需要将坡口表面及其周围的铁锈、油污、水、油漆及其它杂物仔细清除干净。

必须清除碳弧气刨或机床切削留下的残渣。

c.清理后应及时进行焊接，如因其它原因未焊，使坡口受潮或生锈时，应在焊前重新清理。

在非常潮湿的气候下施焊，或坡口表面及周围有露水、冰霜时，应烘干后再进行焊接。

1.3焊接变形控制 

主要的焊接变形形式有：

横向收缩变形，使矩形断面尺寸受到影响，焊缝横向收缩后，使构件形成腰鼓状。

由于焊缝断面大，输入热量多，必然引起较大的纵向收缩，使构件在长度方向形成扭曲变形。

不合理焊接造成的扭曲变形，矫正十分因难，有时不得不割开重焊或造面整件报废。

即使变形得到纠正，也增加了构件的附加应力，对使用不利。

从焊接变形理论知道，影响焊接变形大小主要因素是：

焊缝尺寸愈大，熔敷金属愈多，变形愈大；焊缝尺寸相等时，焊缝线能量越大，造成的变形越大。

焊接大、长焊缝时，分段比直通焊变形要小；焊缝布置不对称或虽布置对称但不对称焊接，使焊缝部位偏离越严重，变形越大；构件刚性越小，变形越大。

根据以上分析，在保证焊缝质量的前提下，减少和控制变形的主要途径是：

设计合理的坡口尺寸，制订最佳焊接规范。

采取合理的焊接顺序和回强工艺管理等。

1.4焊接规范 

通过工艺试验和焊接工艺卡片分析，确定该矩形管对接焊缝采用混合气体保护焊。

焊接材料用GBER50，φ1.2焊丝；保护气体为85%氮气和15%二氧化碳混合气体，气体流量15L/min；第一层焊缝的焊接电流为200—250A，第二层为240—320A，焊接电压为15—27V。

工艺要求是：

第一层焊缝必须焊透，保证背面成型良好；焊接电流，电弧电压，送丝速度，焊接速度等可根据设备型号调节。

1.5焊接顺序 

焊接顺序涉及结构的应力和变形。

为减少变形，矩形对接焊的焊接顺序应尊循以下原则：

采取分层分段对称跳焊，其产生的焊接变形比直通焊小。

直通摆动焊时，焊接开始所形居的较窄的塑性变形区只

3

出现一次，而且由于连续摆动焊接，热量输入多，受热面积大，被压缩造成的塑性变形区域大，因而次序却后殖余变表出很大。

分层分段跳焊时，每一层截面都很小，所需热量就小，且每一层又分若干段进行跳焊，每焊一段其本上都是在冷钢板上重新建立一次温度场，每次都出现一个较窄的塑性变形区，因而其塑性变形区的平均宽度（即横向收缩的尺寸）要比相应分层直通焊小，纵向收缩也小，比起直通连续一次填满的摆动焊接变形就更小。

根据上述分析，矩形管对接焊缝采取分段跳焊，可按图4所示顺序施焊。

即先焊焊缝1，翻面焊焊缝2，焊2应采用比焊1较大的焊接规范，以产生较大的反向力，使原变形得到矫正，接着采取同样方法焊3和4，焊接规范要比焊1、2大一些。

注：

上下断面焊接和前后断面焊接对称。

图4

二、焊接缺陷及防治

如果焊缝存在着缺陷，就有可能造成结构强度不足或断裂。

根据对断裂事故的调查表明，40%断裂事故是从焊缝缺陷处开始的。

因此，应及早发现缺陷，把焊接缺陷限制在一定范围内，以确保结构质量及施工安全。

焊缝缺陷种类很多，按其位置不同，可分为外部缺陷和内部缺陷。

常见缺陷有气孔、夹渣、焊接裂纹、未焊透、未熔合、焊缝外形尺寸和形状不符合要求、咬边、焊瘤、弧坑等。

2.1.产生气孔的主要原因有：

坡口边缘不清洁，有水份、油污和锈迹等。

预防产生气孔的办法是：

选择合适的焊接电流和焊接速度，认真清理坡口边缘水份、油污和锈迹。

2.2.产生夹渣的原因主要是焊缝边缘有氧割或碳弧气刨残留的熔渣；坡口角度或焊接电流太小，或焊接速度过快。

防止产生夹渣的措施是：

正确选取坡口尺寸，认真清理坡口边缘，选用合适的焊接电流和焊接速度，运条摆动要适当。

多层焊时，应仔细观察坡口两侧熔化情况，每一焊层都要认真清理焊渣。

2.3.产生咬边的原因是由于焊接电流过大、运条速度快、电弧拉得太长或焊接角度不当等。

咬边减小了母材接头的工作截面，从而在咬边处造成应力集中，故在重要的结构或受动载荷结构中，一般是不允许咬边存在的，或到咬边深度有所限制。

防止产生咬边的办法是：

选择合适的焊接电流和运条手法，随时注意控制焊条角度和电弧长度；

2.4.未焊透或未熔合是一种比较严重的缺陷，由于未焊透或未熔合，焊缝会出现间断或突变，焊缝强度大大降低，甚至引起裂纹。

因此，捣固车车架及重要结构部分均不允许存在未焊透、未熔合的情况。

未焊透和未熔合的产生原因是焊件装配间隙或坡口角度太小、钝边太厚、焊条直径太大、电流过小、速度太快及电弧过长等。

焊件坡口表面氧化膜、油污等没有清除干净，或在焊接时该处流入熔渣妨碍了金属之间的熔合或运条手法不当，电弧偏在坡口一边等原因，都会造成边缘不熔合。

防止未焊透或未熔合的方法是正确选取坡口尺寸，合理选用焊接电流和速度，坡口表面氧化皮和油污要清除干净；封底焊清根要彻底，运条摆动要适当，密切注意坡口两侧的熔合情况。

2.5.焊接裂纹有热裂纹、冷裂纹。

热裂纹的裂口多数贯穿表面，呈现氧化色彩，裂纹末端略呈圆形。

产生热裂纹的原因是焊接熔池中存有低熔点杂质，这些杂质熔点低，结晶凝固最晚，凝固后的塑性和强度又极低。

因此，在外界结构拘束应力足够大和焊缝金属的凝固收缩作用下，熔池中这些低熔点杂质在凝固过程中被拉开，或在凝固后不久被拉开，造成晶间开裂。

焊件及焊条内含硫、铜等杂质多时，也易产生热裂纹。

防止产生热裂纹的措施是：

一要严格控制焊接工艺参数，减慢冷却速度，适当提高焊缝形状系数，尽可能采用小电流多层多道焊，以避免焊缝中心产生裂纹；二是认真执行工艺规程，选取合理的焊接程序，以减小焊接应力。

冷裂纹产生的主要原因为：

1）在焊接热循环的作用下，热影响区生成了淬硬组织；2）焊缝中存在有过量的扩散氢，且具有浓集的条件；3）接头承受有较大的拘束应力。

防止产生冷裂纹的措施有：

1）选用低氢型焊条，减少焊缝中扩散氢的含量；2）仔细清理坡口边缘的油污、水份和锈迹，减少氢的来源；3）根据材料等级、碳当量、构件厚度、施焊环境等，选择合理的焊接工艺参数和线能量，如焊前预热、焊后缓冷，采取多层多道焊接，控制一定的层间温度等；4）紧急后热处理，以去氢、消除内应力和淬硬组织回火，改善接头韧性；5）采用合理的施焊程序，采用分段退焊法等，以减少焊接应力。

2.6.产生焊瘤的主要原因是运条不均，造成熔池温度过高，液态金属凝固缓慢下坠，因而在焊缝表面形成金属瘤。

立、仰焊时，采用过大的焊接电流和弧长，也有可能出现焊瘤。

焊缝表面存在焊瘤影响美观，并易造成表面夹渣；防止产生焊瘤的主要措施严格控制熔池温度，立、仰焊时，焊接电流应比平焊小10-15%。

三、焊缝质量的无损检测

用超声探伤、射线探伤、磁粉探伤或渗透探伤等手段，在不损坏被检查焊缝性能和完整性的情况下，对焊缝质量是否符合规定要求和设计意图所进行的检验。

3.1.对新焊缝采用超声波，验收等级为3级，超过验收等级要求不可验收，未超过验收等级要求为可验收。

3.2.对大修车结构件焊缝采用磁粉探伤，Ⅱ级及以上为合格；Ⅲ级为不合格；对不合格焊缝可以返修，返修后焊缝仍按原探测条件进行复探并评级，返修后仍不合格的焊缝不出具评级报告。

参考文献

1.霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定[M].北京：

机械工业出版社，2000.6；

2.陈祝年.焊接设计简明手册[M].北京：

机械工业出版社，1997.3；

3.08-32主车架焊接图纸及焊接工艺卡片；

4.焊缝无损检验国标及昆明中铁企标；