封闭式盒形结构梁焊接工艺设计研究

申 晨，梁志方，王 佳，马 杰，魏兆峰

(山西航天清华装备有限责任公司，山西 长治 046000)

0 引言

盒形梁结构是一种经典的焊接承力结构，通过盒形结构梁组合而成的整体封闭式焊接框架结构具有承载能力大、防腐性能好的特点，因而广泛应用于特种车和航天地面设备的支撑、起竖等结构上。盒形梁的截面形式为典型的盒形结构，具有焊缝密集、焊接质量要求高、焊接变形难以控制等特点，因此盒形结构梁焊接技术是航天地面设备生产的关键技术。

1 封闭式盒形梁结构介绍

图1和图2是典型的盒形梁结构，主要由各盖板、立板和加强筋焊接而成，其中盖板与立板之间为单侧坡口焊，加强筋为角焊缝，盖板和立板多采用10 mm～25 mm左右的Q345中厚板，用于承受主要载荷，承力性能良好。

图1 典型盒形梁三维结构 图2 承力位置盒形梁结构

2 焊接缺陷及原因分析

Q345板材属于低碳合金钢，焊接性能良好。焊接方法采用混合气体保护焊，焊丝为ER50-6。盒形梁不同位置的框架均为封闭结构，部件整体焊接完成后在外侧加工坡口，组对成整体部件时再一次形成封闭结构。各盒形结构采用厚度为20 mm及以上的厚板，具体接头形式及坡口尺寸见表1。为满足装配要求，设计图纸要求各板钝边≥2 mm，这样设计能保证装配质量并能防止焊接时产生烧穿等缺陷，但是这样的接头形式可达性差，根部无法焊到，在对封闭接头焊接时，由于无法清根，极易在根部钝边处产生夹杂及未融合等焊接缺陷[1]。图3为盒形梁断面结构图，盒形梁要求在四周各板上开坡口并且全熔透，坡口形式为钝边2 mm，坡口角度50°±5°。工厂焊接了一件盒形梁试验件，经超声波探伤，50%以上的焊缝根部存在未融合和气孔缺陷，未融合深度约1 mm～2 mm。在对根部未融合缺陷进行返修时，主要是通过机械打磨来清理缺陷，返修工作量大，同时在返修时由于接头位置增加，增加了焊接缺陷产生的几率，返修成功率低。

图3 封闭式盒形梁断面结构图

表1 封闭式盒形梁常用接头形式及坡口尺寸

因此，封闭式盒形梁结构的焊接质量已成为困扰其生产顺利进行的技术障碍，须立项攻关解决。

3 解决措施

3.1 总体思路

对盒形梁焊缝成型不达标的原因进行分析，采用单面焊双面成型的技术进行解决，从坡口形式、焊接方法、焊接参数和环境等几个方面进行控制，提高焊接质量。

经过分析，工厂现使用的焊接方法主要为混合气体(CO2+Ar)保护焊，该焊接方法采用短路过渡时，不能按细颗粒过渡方法设计坡口，同时允许较小的钝边，甚至可以不留钝边；又因为这时的熔池较小，融化金属温度低，黏度大，搭桥性能良好，所以间隙大些也不会烧穿[2]。

3.2 项目实施方案

3.2.1 改进封闭结构最后两道焊缝的坡口形式

对于角接接头的封闭焊缝，将封闭焊缝的坡口形式改为锐钝边，即将2 mm钝边减小至0～0.5 mm，同时装配时应保证根部间隙为2 mm～3 mm，这样就能解决焊枪不可达、根部无法熔透的问题，从而保证根部良好的熔合和成型[3]。但是这样的接头形式，在焊接第一层焊道时极易烧穿，焊接时应重点控制。焊接时应采用单面焊双面成型技术，在坡口根部进行组装定位时，按焊接时的不同操作手法留出不同的间隙，对坡口形式和尺寸的加工精度应进行严格控制，保证焊丝能到达根部附近，使运条方便。

3.2.2 根部焊接时改进焊接方法

对于对接接头的焊缝，采用手工钨极氩弧焊或气体保护焊、电弧焊焊接第一道反面成型焊缝，然后再用混合气体(CO2+Ar)保护焊焊接工艺填满坡口。对于能在背面清根的焊缝，为了达到完全熔透的目的，允许在焊接时进行机械清根后再进行焊接；对于清根操作困难的焊缝，应将其钝边改为锐钝边，允许在其背面先焊接一道角焊缝，然后再在正面进行施焊。

3.3 实施效果

为验证改进后方案的焊接效果，将以上确定的改进方法投入焊接试板进行焊接试验，摸索工艺参数。通过对试板的焊接，总结出了一套确实可行的工艺参数，保证在进行坡口正面焊接时，就能在坡口的正、背两面都得到均匀整齐、成型良好、符合质量要求的焊缝。焊接工艺参数见表2，焊接试板试验情况见图4。通过无损检测，所有焊缝均达到了技术要求，表面质量也得到了提升和改善。封闭式盒形结构梁上所有坡口焊缝质量要求达到GB/T11345—1989《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》标准中B级Ⅰ类，所有焊缝表面质量达到JB/T4730.4—2005《承压设备无损检测第4部分：磁粉检测》Ⅱ级水平。

图4 焊接试板试验情况

表2 焊接工艺参数

4 效果验证

经过工艺试验验证，改进后的工艺方案合理，通过对不同接头形式和工艺方法的改进，使封闭式盒形结构梁焊接质量显著提高，根部未融合及夹杂的情况大为减少，保证了焊接质量。该项成果已在某型台体生产中得到了应用，并通过了加载试验考核，满足使用要求。

5 结论

封闭式盒形结构梁的焊接成型质量直接影响到航天地面设备的性能及任务指标。通过本次攻关掌握了封闭式盒形结构的焊接成型技术，有效地解决了其焊接成型困难的问题，提高了焊接质量，在中厚板单面焊双面成型技术上取得了进一步提升与改进。该项技术可广泛应用于其他封闭式焊接结构的生产中，如重要的焊接式车架、吊具等重要的承力结构件。