摘 要：本文以工程機(jī)械用厚鋼板為載體，對(duì)其焊接工藝進(jìn)行了完整全面的分析研究。主要對(duì)焊接前的熱處理工藝、厚鋼板的焊接結(jié)構(gòu)、焊接工藝和焊接后的殘余應(yīng)力消除等方面進(jìn)行了研究，并給出了相應(yīng)的技術(shù)對(duì)策。本論文對(duì)于相關(guān)技術(shù)人員學(xué)習(xí)研究提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：厚鋼板，焊接，工程機(jī)械，技術(shù)分析

引言

隨著我國大型基礎(chǔ)建設(shè)的高速發(fā)展，對(duì)應(yīng)需要的大型工程機(jī)械也越來越多，對(duì)大型工程機(jī)械設(shè)計(jì)研制過程中的厚鋼板、大型管件和軸類件的焊接性能都提出了極為苛刻的要求，特別是厚鋼板的焊接要求更為嚴(yán)格[1-3]。厚鋼板是大多數(shù)大型工程機(jī)械的最基本的組成部分，是大型工程機(jī)械的主要構(gòu)件，工程機(jī)械厚鋼板的有效焊接對(duì)整機(jī)的使用壽命和使用性能有著至關(guān)重要的影響，同時(shí)高質(zhì)量的厚鋼板焊接也能保證工程機(jī)械在后續(xù)的施工作業(yè)中對(duì)惡劣環(huán)境表現(xiàn)出較好的適應(yīng)能力。與其它薄鋼板或桿管類零件的焊接不同，厚鋼板的焊接過程中使用的焊條熔融量非常大，同時(shí)焊接過程中輸入的熱量也非常高，由于鋼板較厚所以難以實(shí)現(xiàn)自由焊接，這些難點(diǎn)都會(huì)造成焊接過程中或焊接后的厚鋼板產(chǎn)生裂縫[2-6]。因此對(duì)厚鋼板的焊接技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)保證焊接質(zhì)量具有重要的意義。

1、焊接前的預(yù)熱處理工藝

厚鋼板在焊接前一般放置在空氣中，溫度一般為幾十度，而焊接過程中產(chǎn)生的溫度可高達(dá)千余度，焊接結(jié)束后由于溫度的急劇下降非常容易造成硬度較大的馬氏體晶格產(chǎn)生，這樣相當(dāng)于淬火的過程，當(dāng)焊接厚鋼板內(nèi)部的應(yīng)力集中達(dá)到一定值后就會(huì)產(chǎn)生裂縫。避免內(nèi)部應(yīng)力集中導(dǎo)致裂縫的發(fā)生，較好的措施是焊接前對(duì)厚鋼板預(yù)熱一段時(shí)間。對(duì)于預(yù)熱的溫度要求極為嚴(yán)格，如果預(yù)熱溫度合適，可以減少厚鋼板焊縫的應(yīng)變率，最終可大大降低裂縫的產(chǎn)生概率。如果厚鋼板的預(yù)熱溫度過高，不僅使焊接的環(huán)境更加惡劣，同時(shí)由于局部加熱導(dǎo)致了內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致后續(xù)焊接中裂縫的發(fā)生。在焊接過程中不僅要考慮預(yù)熱溫度，同時(shí)要求對(duì)環(huán)境溫度、鋼材材質(zhì)、鋼材厚度等因素都做全面考慮評(píng)估。一般的厚鋼板預(yù)熱按照以下要求進(jìn)行：厚鋼板的硬度越高，需預(yù)熱的溫度越高；焊接過程中焊漿冷卻的速度比較快，需預(yù)熱的溫度則相對(duì)較高；對(duì)于普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，如果厚度大于五十毫米，則預(yù)熱溫度基本控制在七十到一百攝氏度。如果鋼材為低合金結(jié)構(gòu)鋼，厚度在三十六毫米以上，則預(yù)熱溫度基本控制在八十到一百二十?dāng)z氏度。焊縫的焊接自由度和可操控性能較低時(shí)，需要預(yù)熱的溫度越高。

2、厚鋼板焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

厚鋼板焊接過程中，非常容易產(chǎn)生較大的焊接構(gòu)件變形，避免焊接構(gòu)件變形的一個(gè)有效方法是對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體一般按照以下幾個(gè)方向進(jìn)行：

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)焊縫的長度和焊縫的數(shù)量。在厚鋼板焊接設(shè)計(jì)過程中，焊縫的長度不能設(shè)計(jì)過長，如果能夠滿足基本的焊接要求，推薦使用多條短縫焊接替代長縫焊接的技術(shù)，這樣能夠最大程度地降低鋼材焊接過程中的構(gòu)件變形量。在短焊縫的數(shù)量方面也盡量不要過多，過多的焊接縫會(huì)使焊漿熱量過大而使厚鋼板產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，最終使鋼材產(chǎn)生變形。

（2）降低焊縫截面處的面積。在實(shí)際焊接過程中，采用對(duì)接焊縫工藝的厚鋼板受力分布比采用角焊縫工藝的厚鋼板更加均勻。所以對(duì)接焊縫一般為我們的優(yōu)選策略。對(duì)于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的厚鋼板，必須采用角焊接工藝時(shí)，我們要盡量降低焊接截面的面積和尺寸。對(duì)于不同厚度的鋼板焊接，我們要求將坡口加工在厚度較小的鋼板上，這樣可以控制焊漿的量，同時(shí)也可以最大限度地減少厚鋼板的變形量。

（3）厚鋼板構(gòu)件的焊縫形態(tài)盡量采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在厚鋼板焊接過程中由于焊縫周邊鋼材的快速加熱和快速冷卻，導(dǎo)致鋼材內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中和應(yīng)變。當(dāng)焊縫和焊接結(jié)構(gòu)保持對(duì)稱時(shí)，鋼材內(nèi)部的應(yīng)變和應(yīng)力就會(huì)相互平衡，最終焊接成型的工程機(jī)械基本不會(huì)產(chǎn)生變形量。

（4）避免重復(fù)焊接或重疊焊縫的產(chǎn)生。在焊接過程中，如果焊縫產(chǎn)生重疊，那么焊漿的發(fā)熱區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生交叉，在厚鋼板反復(fù)受熱的過程中，其內(nèi)部的晶體顆粒組織發(fā)生變化，最終導(dǎo)致焊接部位及附近鋼材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度變低，影響整臺(tái)工程機(jī)械的強(qiáng)度。所以我們?cè)诤附拥倪^程中要盡量將不同的焊縫錯(cuò)開，按照設(shè)計(jì)要求，相鄰兩條焊縫的距離不能低于一百四十毫米。

3、焊接工藝優(yōu)化分析

（1）嚴(yán)格控制夾持厚鋼板的夾具工裝的尺寸數(shù)量級(jí)別，確保高精度。夾具工裝的高精度對(duì)于確保厚鋼板焊接質(zhì)量與焊接精準(zhǔn)度至關(guān)重要。在對(duì)大型厚鋼板的焊接過程中，主要有兩個(gè)參數(shù)需要精準(zhǔn)控制，一個(gè)是縱軸與橫軸方向的尺寸精準(zhǔn)度，另一個(gè)是兩塊鋼板在對(duì)角線方向的精準(zhǔn)度。在一般的焊接設(shè)計(jì)要求中，縱軸與橫軸方向的尺寸精準(zhǔn)度要控制在千分之三的范圍以內(nèi)。對(duì)于放置厚鋼板的平臺(tái)的平整度也要控制在規(guī)定的精度范圍內(nèi)，特別要注意考慮夾具工裝夾緊后產(chǎn)生的平臺(tái)平整度變化量。否則會(huì)產(chǎn)生較大的偏差，一般情況下，平臺(tái)的平整度偏差在四個(gè)毫米以內(nèi)時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求的。

（2）對(duì)于厚鋼板焊接過程中的焊接順序、工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。如果需要焊接的鋼板焊縫過大，此時(shí)需要采用直徑較大的焊條進(jìn)行焊接，焊接過程中的電流不能過大，焊接的線速度可以適當(dāng)提高，采用多條焊道多層組合焊接的方式進(jìn)行，全面控制變形產(chǎn)生。對(duì)于焊接順序優(yōu)化方面精準(zhǔn)合理控制也可大大降低焊接產(chǎn)生的變形，在焊接前需要對(duì)焊接可能產(chǎn)生的變形和方向進(jìn)行分析研究、制定最優(yōu)方案。在焊接設(shè)計(jì)中，我們一般要求首先對(duì)變形量較大的鋼材進(jìn)行焊接，最后對(duì)變形量小的鋼材進(jìn)行焊接。

（3）厚鋼板形狀矯正技術(shù)。厚鋼板形狀矯正技術(shù)是焊接過程中的較為重要的工序流程，對(duì)于厚度大于三十毫米的鋼材，常用的且表有效的矯正技術(shù)是高溫火焰噴射矯正和機(jī)械力矯正。同時(shí)根據(jù)不同零件的變形量不同，可以進(jìn)行多次、少量的重復(fù)矯正，直至達(dá)到設(shè)計(jì)精度和技術(shù)要求。

4、焊接殘余應(yīng)力消除分析

厚鋼板焊接后其內(nèi)部的殘余應(yīng)力不可避免，其表現(xiàn)形式為拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，是裂紋產(chǎn)生的主要原因，所以有必要對(duì)厚鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力進(jìn)行消除。當(dāng)期已有的處理方法有熱處理去除殘余應(yīng)力、振動(dòng)法去除殘余應(yīng)力和自然去除法。其中自然去除法耗時(shí)較長且效果不夠明顯，目前應(yīng)用還不夠廣泛。振動(dòng)法去除殘余應(yīng)力的設(shè)備簡(jiǎn)單、易操作、成本低、效果好，目前應(yīng)用較多。熱處理法應(yīng)用效果最好，但對(duì)于大型工程機(jī)械，由于其零件過大難以實(shí)現(xiàn)均勻加熱。所以具體選用何種方法消除殘余應(yīng)具體問題具體分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]李冬玲，張勇，鹿鋒華.激光誘導(dǎo)擊穿光譜法對(duì)焊接接頭表面滲銅區(qū)銅元素的深度分布分析[J].冶金分析，2015，35（01）：19-25.

[2]秦國梁，孟祥萌，付邦龍，楊成營，肖國棟.薄壁不銹鋼管列置雙TIG電弧高速焊接工藝[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，51（12）：83-88.

[3]馬然，董皕喆，吳世凱，楊武雄，肖榮詩.薄板鈦合金光纖激光-鎢極惰性氣體保護(hù)焊電弧復(fù)合焊接工藝研究[J].中國激光，2014，41（05）：85-92.

[4]陳浩，王霄，劉會(huì)霞，李品，黃創(chuàng)，趙振關(guān)，嚴(yán)長.數(shù)值模擬驅(qū)動(dòng)的激光透射焊接PET與304L不銹鋼的優(yōu)化研究[J].中國激光，2014，41（04）：91-99.

[5]趙琳，塚本進(jìn)，荒金吾郎，張巖，田志凌.大功率光纖激光焊接過程中工藝參數(shù)對(duì)熔深和氣孔的影響[J].中國激光，2013，40（11）：104-108.

[6]俞照輝，嚴(yán)紅革，管正剛，尹緒雨，李穎.激光焊接工藝參數(shù)對(duì)高強(qiáng)鎂合金焊縫成形及裂紋傾向的影響[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2013，23（06）：1479-1488.

作者簡(jiǎn)介：

楊震（1990年出生），性別男，漢族，江蘇徐州人。目前就職于徐工集團(tuán)道路機(jī)械事業(yè)部，助理工程師職稱，本科學(xué)歷。主要從事工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件等焊接工藝研究