Q235-A厚板件焊接的工艺性研究

齐重数控装备股份有限公司 （黑龙江齐齐哈尔 161005） 刘恩宝

1.问题概述

2011年，我公司承担了为某企业生产12m数控辗环机的焊接任务，该产品由床身、主传动装置、径向轧制机构、测量装置、主辊、轴向轧制机构、定心机构及托架等部分构成，其中床身长达36m（共分三段），宽近6m，整机重量达到1600多吨，零部件中轴向轧制机构最重，达440多吨；最轻的托架也重达5.5t，所采用的钢板材质为Q235－A，其中80%以上的板厚在100mm以上，最大板厚达到了250mm，焊接过程中不可避免会产生应力和变形，一旦产生的应力和变形过大，将可能使零件报废，为公司造成巨大的损失。

我公司在这之前从未焊接过这么大的厚板结构件，没有现成的经验可遵循，因此，为了控制焊接应力和变形，焊前需要对焊接工艺做细致的分析研究，制定切实可行的焊接工艺方案，对保证焊接结构的质量，提高生产效率，降低成本，积累经验意义重大。

2.焊接工艺方案确定

我们知道，不均匀的加热和冷却是产生变形的基本原因，在焊接过程中，由于焊接热循环的特点，使焊件本身受到电弧不均匀的加热，在焊件上产生不均匀的温度场，这个不均匀的温度场使材料产生不均匀的膨胀，从而在焊件中产生应力和变形。对于厚板来说，由于厚板导热性差，造成上下面温差大，更加剧了这种情况，同时由于厚板焊接工程量大，难度高，因此必须开坡口焊接，我们以前在焊接生产中一直采用的是火焰切割V形或X形坡口，坡口角度随着板厚的不同有30°、45°、60°，因此在确定坡口时，首先考虑这三种形式。经过分析，我公司采用的是熔化极富氩气体保护焊，焊枪喷嘴直径为25mm，当采用30°或45°单边V形坡口时，由于坡口太窄，焊枪喷嘴无法深入至坡口根部，如果焊丝伸出太长，又会因气体保护不好而使焊缝金属产生不应有的缺陷；如用焊条电弧焊打底，因坡口深，清渣十分困难，生产效率极低而不宜采用；如果采用60°坡口，虽然焊枪喷嘴的问题可以解决，但填充金属的消耗量太大，既增大了焊工的劳动强度，又降低了工作效率，提高了成本，同时焊接量大必然会造成应力和变形量显著增大，因此，必须对焊接坡口形式进行改进。经过分析比较，最终决定采用VY形复合坡口形式，如图1所示。

图1

虽然这种坡口形式不能采用火焰切割，而必须上机床加工，会增加一些成本，但由于减少了焊接工作量及焊接变形量，所以总体还是经济合算的。图2是45°、60°V形坡口的焊缝横截面积与VY形复合坡口的焊缝横截面积比较（板厚以100mm为例，有效深度均为70mm）。通过图2计算可知，三种坡口形式的焊缝横截面积分别为2450mm2、4243mm2、2122mm2（图中阴影部分），而且由于VY形坡口中，其下层的坡口角度一般是60°，从而可以保证焊枪喷嘴深入坡口底部施焊。综上分析，VY形坡口的焊接工作量是三种坡口形式中最小的，产生的应力和变形也是最小的，同时最有利于保证焊缝的焊接质量。

图2

另外，由于装配焊接顺序对焊接应力和变形影响也较大，因此在坡口形式确定以后，还需要对装配和焊接顺序进行合理安排。通过对结构分析，如果采用边装边焊的方式，虽然简单，但由于初始刚性差，焊接变形很难控制，所以经过分析，决定采用整体装配后再焊接的方法，这样的好处是装配后形成框架，提高了整体的刚性，有助于减少焊接变形量，但困难是装配后，里面的焊缝就无法焊到。为了解决这一问题，经过慎重分析，在保证结构强度的前提下，决定对筋板上的减重孔的尺寸加以扩大至φ400～φ500mm，保证一个身材略小的人进出（见图3）在整体装配后，焊工从上述圆孔进入焊接内焊缝。焊接时，用鼓风机向里面通风并做好绝缘防护工作，以防止中毒和触电事故的发生。焊接方法是采用熔化极富氩气体保护焊，保护气体成分为80%Ar+20%CO2，焊丝牌号为ER49－1，φ1.2mm，焊接电流控制在350A以内，多层多道焊，注意控制焊接热输入，当温度过高时，要暂停焊接，待温度降至200℃以下时再继续施焊。焊后消除应力退火并矫正变形。

图3

3.结语

通过采用上述措施后，焊后成品件一次通过了检测，重要焊缝进行超声波探伤，均达到Ⅱ级要求，到机加工序后，完全保证了划线加工，没有补焊情况发生，为公司节约了大量的人力物力；同时缩短了生产周期，积累了厚板件的焊接经验，为今后公司的厚板件焊接生产打下了一个良好的基础。