黃科偉

摘 要：港口起重設(shè)備穩(wěn)定裝置的底座若焊縫焊接質(zhì)量不佳，會(huì)在一定程度上影響產(chǎn)品的使用壽命，嚴(yán)重的將導(dǎo)致底座開裂，影響起重設(shè)備的使用。由此，本文首先介紹港口起重設(shè)備穩(wěn)定裝置底座采用16Mn和30號(hào)鋼板材焊接的可行性，然后分析焊接工藝，并對(duì)相關(guān)焊接缺陷進(jìn)行處理，以提高穩(wěn)定裝置底座的制造質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：起重設(shè)備;底座裝置;焊接工藝

中圖分類號(hào)：TG441.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2019）14-0057-03

Study on Welding Technology for Base of Stabilizer

of Port Lifting Equipment

HUANG Kewei

（Changzhou Railway High Vocational and Technical School，Changzhou Jiangsu 213011）

Abstract： If the welding quality of the base of the stabilization device of port crane is not good， the service life of the product will be affected to some extent， and the base will crack seriously， which will affect the use of the crane equipment. Therefore， this paper first introduced the feasibility of using 16Mn and 30 steel plates to weld the base of the stabilization device of port crane equipment， then analysed the welding process， and treated the related welding defects， so as to improve the manufacturing quality and efficiency of the base of the stabilization device.

Keywords： lifting equipment;base device;welding technology

港口運(yùn)輸是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，也是全球貨物最主要的運(yùn)輸方式之一。港口起重設(shè)備是港口貨物運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，在貨物裝載日趨繁忙的今天，保證起重設(shè)備的安全性和可靠性尤為重要。如果起重設(shè)備出現(xiàn)失效和瞬斷，可能會(huì)帶來災(zāi)難性的后果。

穩(wěn)定裝置是起重設(shè)備的重要部件，其底座是采用16Mn和30號(hào)鋼板材焊接的結(jié)構(gòu)件。材料焊接性主要取決于其化學(xué)成分，隨著鋼材強(qiáng)度級(jí)別和合金元素的改變而發(fā)生變化。通常情況下，材料焊接性包括兩方面內(nèi)容：其一是結(jié)合性能，即在一定焊接工藝條件下，一定的金屬對(duì)形成焊接缺陷的敏感性，對(duì)于16Mn，主要是裂紋問題;其二是使用性能，即在一定焊接工藝條件下，金屬焊接接頭對(duì)使用要求的適應(yīng)性，對(duì)于16Mn，主要是脆化問題[1]。穩(wěn)定裝置的底座若焊縫焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，或存在超標(biāo)缺陷，會(huì)在一定程度上影響產(chǎn)品的使用壽命，嚴(yán)重的將導(dǎo)致底座開裂，直接導(dǎo)致機(jī)破。因此，針對(duì)該產(chǎn)品，必須制定嚴(yán)格的焊接工藝。

1 焊接可行性分析

1.1 母材和焊材分析

穩(wěn)定裝置底座主要由一塊16Mn底板和兩塊30號(hào)鋼枕梁拼裝組成，其規(guī)格分別為910mm×807mm×16mm和980mm×354mm×134mm，如圖1所示。16Mn鋼和30號(hào)鋼的主要化學(xué)成分如表1[2]所示。

圖1 穩(wěn)定裝置箱體底座組件

表1 16Mn鋼和30號(hào)鋼的化學(xué)成分

[鋼號(hào) 化學(xué)成分/% C Mn Si P S 16Mn 0.12～0.2 1.2～1.6 0.2～0.55 ≤0.045 ≤0.045 30號(hào)鋼 0.27～0.34 0.7～1.00 0.15～0.35 ≤0.06 0.08～0.15 ]

根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦的低合金鋼的碳當(dāng)量CE計(jì)算公式[見式（1）]取其化學(xué)成分平均值，分別計(jì)算16Mn鋼的碳當(dāng)量和30號(hào)鋼的碳當(dāng)量。

[CE=Wc+WMn/6+WCr+WMo+WV/5+WNi+WCu/15] （1）

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，兩種母材的碳當(dāng)量CE均在0.40%～0.45%。通常，超過一定厚度的16Mn鋼在焊接時(shí)易產(chǎn)生裂紋，且裂紋通常產(chǎn)生于首道焊縫中心，從裂紋產(chǎn)生機(jī)理來看，屬結(jié)晶裂紋。因此，焊接時(shí)，需要制定嚴(yán)格的工藝措施。16Mn鋼因具備良好的力學(xué)性能（如表2[2]所示），C、D、E級(jí)鋼具有良好的低溫韌性，所以被普遍應(yīng)用于船舶、鍋爐、壓力容器、石油儲(chǔ)罐、橋梁、電站設(shè)備、超重運(yùn)輸機(jī)械及其他具有較高載荷的焊接結(jié)構(gòu)件。枕梁用材為30號(hào)鋼，屬中碳鋼。與低碳鋼相比，其在強(qiáng)度、硬度方面均勝出一籌;同時(shí)，30號(hào)鋼還具有較好的韌性。因此，其大多在正火狀態(tài)下使用，也可進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，適用于熱鍛、熱壓，也適用于制造需冷頂鍛零件及焊接件。

表2 16Mn鋼和30號(hào)鋼的力學(xué)性能

[鋼號(hào) 抗拉強(qiáng)度（MPa） 屈服點(diǎn)N/mm2 伸長(zhǎng)率[σs]/% 16Mn 510～660 345 ≥22 30號(hào)鋼 490 295 ≥21 ]

由于該底座選用了16Mn和30號(hào)鋼結(jié)合的形式，并且母材存在較大的厚度比，在焊接過程中，焊接接頭區(qū)域受不均勻加熱和冷卻的作用，其膨脹和收縮受四周冷金屬的約束不能自由進(jìn)行，因此，產(chǎn)生焊接應(yīng)力和焊接變形。鋼板厚度越大，剛性越大，焊后產(chǎn)生的應(yīng)力就越大，當(dāng)焊接應(yīng)力足夠大時(shí)，容易產(chǎn)生焊接裂紋，甚至造成脆斷[3]。

由于兩種母材的含碳量均較高，且含少量的磷，因此，應(yīng)選擇抗裂性好的焊材。底座焊接材料選用和保存應(yīng)符合《焊接材料質(zhì)量管理規(guī)程》（JB/T 3223—2017）。穩(wěn)定裝置箱體底座焊接材料見表3。

表3 穩(wěn)定裝置箱體底座焊接材料

[名稱 焊絲牌號(hào) 焊絲直徑/mm 氣體名稱 底座 ER70S-6 Φ1.2 80%Ar+20%CO2 ]

2 焊接工藝

2.1 焊前準(zhǔn)備

枕梁和底板裝配定位前應(yīng)清除待焊部位兩側(cè)10～20mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等污物，定位焊長(zhǎng)度不小于4mm，并在兩根枕梁的四個(gè)角內(nèi)側(cè)各預(yù)先焊接150mm，磨成一定的坡度，以保證隨后焊接的熔合性。

因?yàn)閁型枕梁體積大，厚度為134mm，再加上底板是16Mn鋼，因此，焊前需要對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱，以減少焊件各部分的溫差，降低焊后冷卻速度，減少殘余應(yīng)力造成的焊接裂紋。預(yù)熱溫度見表4[3]。預(yù)熱區(qū)域?yàn)楹缚p兩側(cè)距離焊接中心不小于75mm，測(cè)溫點(diǎn)距離焊縫中心50mm±5mm。

表4 不同環(huán)境溫度和厚度16Mn鋼焊接預(yù)熱溫度

[工件厚度/mm 環(huán)境溫度 預(yù)熱溫度/℃ <16 低于10℃ 100～150 16～24 低于5℃ 100～150 25～40 低于0℃ 100～150 >40 均預(yù)熱 100～150 ]

2.2 焊接參數(shù)的選擇

采用熔化極氣體保護(hù)焊（MAG焊）方法，焊接參數(shù)見表5，焊接電源選用松下KRII-500型焊機(jī)。

表5 穩(wěn)定裝置箱體底座焊接參數(shù)

[焊接工序 焊接電流/A 電弧電壓

/V 焊接速度

（mm/min） 氣體流量

（L/min） 打底 200～220 23～25 250～320 15～20 蓋面 250～270 26～30 220～290 15～20 ]

2.3 底座打底焊

因底座反面焊縫是平對(duì)接，底板又是單面坡口（14mm×45°），坡口較深，因此，需要進(jìn)行多層焊。在焊接過程中，應(yīng)選擇合理的焊接順序，盡量使焊縫的縱向收縮和橫向收縮比較自由，而不受較大拘束應(yīng)力。焊接時(shí)，應(yīng)控制好焊槍的擺動(dòng)幅度以及坡口兩側(cè)停留的時(shí)間，并嚴(yán)格控制噴嘴的高度，電弧必須在離坡口底面2～3mm處燃燒，當(dāng)坡口底部熔孔直徑達(dá)到3～4mm時(shí)進(jìn)行正常焊接，勻速地一次性焊到焊縫的前2～3mm處使用收弧小電流，直至焊接完成，打底焊厚度不宜超過4mm。當(dāng)整個(gè)底座反面打底焊焊縫施工完畢后，將翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°對(duì)底座的正面焊縫進(jìn)行施焊。施焊前，先用角向磨光機(jī)清理反面打底焊產(chǎn)生的焊根，磨至平整或適度內(nèi)凹，同時(shí)清理飛濺和其他雜物。清理完后，需要再次測(cè)量焊縫溫度，溫度符合工藝要求后方能進(jìn)行施焊。正面焊時(shí)，焊縫為角焊縫，焊腳尺寸為10mm，需要采用多層焊。對(duì)第一層焊縫施焊時(shí)，焊槍與垂直板夾角增加并指向距根部2～3mm，焊槍的角度為50°～60°，稍帶點(diǎn)擺。為了防止底座焊接時(shí)受熱不均勻而產(chǎn)生變形，采用對(duì)稱斷續(xù)焊，底座正面兩條焊縫將分四次焊接完成，分別從枕梁的邊緣向中間進(jìn)行施焊，當(dāng)焊接接近中點(diǎn)時(shí)，應(yīng)改用小電流進(jìn)行收弧，停留時(shí)間為2～3s，以免產(chǎn)生弧坑裂紋，接頭處應(yīng)要求進(jìn)行斜坡口打磨，以確保接頭位置焊縫的質(zhì)量。

2.4 底座填充與蓋面焊

底座正面第一層焊縫施焊結(jié)束后，用角向磨光機(jī)清理飛濺和其他雜物，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整第二層焊接參數(shù)。焊接時(shí)采用左焊法，焊槍角度為45°～55°，焊絲的傾角應(yīng)使電弧傾向枕梁，焊接時(shí)焊槍應(yīng)指向打底焊的凹陷處，直至抵達(dá)所需的焊腳;焊接時(shí)應(yīng)勻速運(yùn)條，第二層焊接順序與第一層焊接順序相同，采用對(duì)稱斷續(xù)焊，直至整個(gè)底座正面焊接完成。之后，再次通過翻轉(zhuǎn)將底座反面朝上，準(zhǔn)備施焊填充和蓋面焊。首先，將打底層的飛濺物和熔渣清理干凈，填充層焊接時(shí)，其擺幅要比打底時(shí)稍大些，保證兩側(cè)坡口有一定的熔深，層間充分熔合;控制中間層焊道的高度，應(yīng)低于母材1.5～2.5mm，直至整個(gè)底座焊縫填充結(jié)束。焊后，清理填充層的飛濺和雜物，調(diào)試好蓋面層焊接參數(shù)，從左側(cè)枕梁的右端開始焊接（左焊法），焊槍角度為70°～80°。焊接時(shí)，熔池邊緣應(yīng)超過坡口棱邊1～2mm，確保母材熔化良好。在施焊過程中，嚴(yán)格控制電弧高度，同時(shí)要保證焊絲在坡口兩側(cè)停頓，防止咬邊;收弧時(shí)，必須填滿弧坑，以免產(chǎn)生弧坑裂紋。接著再焊枕梁右側(cè)焊縫直至整個(gè)底座蓋面完成。完成后的穩(wěn)定裝置底座如圖2所示。

圖2 底座蓋面焊后實(shí)物圖示

為了降低焊接殘余應(yīng)力，減小焊縫中的氫含量，改善焊縫的金屬組織和性能，在焊后應(yīng)對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理。熱處理后的穩(wěn)定底座必須經(jīng)磁粉探傷，所檢測(cè)焊縫不允許有裂紋、未熔合或未焊透、表面氣孔等缺陷存在。

3 結(jié)論

通過前期對(duì)港口起重設(shè)備穩(wěn)定裝置底座焊接材料特性及焊接工藝的分析，發(fā)現(xiàn)該底座的母材的焊接性一般。在試焊過程中，由于底座反面焊縫深寬比大，易形成金屬裂紋、夾渣和氣孔，而正面10mm的焊角有未焊透、咬邊等現(xiàn)象。為了更好地保證該產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，對(duì)上述焊接缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行焊接工藝分析，并制定了嚴(yán)格的焊接規(guī)范。

在實(shí)際焊接過程中，應(yīng)做到了以下幾點(diǎn)：①選擇合適焊材;②選取合適的坡口形式，降低焊縫的深寬比;③對(duì)焊前工件進(jìn)行預(yù)熱，防止產(chǎn)生裂紋;④采用合理焊接順序，減小焊接拘束應(yīng)力的影響;⑤焊后進(jìn)行熱處理。通過一系列的工藝保證，穩(wěn)定裝置底座焊縫質(zhì)量穩(wěn)定，焊縫成形良好，焊縫經(jīng)磁粉探傷后一次合格率在95%以上，只有小部分焊縫局部存在返工現(xiàn)象，因此采用上述工藝能滿足正常生產(chǎn)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]文申柳，易小平.16Mn鋼的焊接性分析[C]//中西南十省區(qū)（市）焊接學(xué)會(huì)聯(lián)合會(huì)第九屆年會(huì)論文集.2006.

[2]中國(guó)工程機(jī)械學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編.焊接手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[3]白彩蘭.16Mn鋼焊接裂紋的產(chǎn)生及預(yù)防[J].同煤科技，2005（2）：17-18.