申 晨，梁志方，王 佳，馬 杰，魏兆峰

(山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引言

盒形梁結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)典的焊接承力結(jié)構(gòu)，通過盒形結(jié)構(gòu)梁組合而成的整體封閉式焊接框架結(jié)構(gòu)具有承載能力大、防腐性能好的特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于特種車和航天地面設(shè)備的支撐、起豎等結(jié)構(gòu)上。盒形梁的截面形式為典型的盒形結(jié)構(gòu)，具有焊縫密集、焊接質(zhì)量要求高、焊接變形難以控制等特點(diǎn)，因此盒形結(jié)構(gòu)梁焊接技術(shù)是航天地面設(shè)備生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 封閉式盒形梁結(jié)構(gòu)介紹

圖1和圖2是典型的盒形梁結(jié)構(gòu)，主要由各蓋板、立板和加強(qiáng)筋焊接而成，其中蓋板與立板之間為單側(cè)坡口焊，加強(qiáng)筋為角焊縫，蓋板和立板多采用10 mm～25 mm左右的Q345中厚板，用于承受主要載荷，承力性能良好。

圖1 典型盒形梁三維結(jié)構(gòu) 圖2 承力位置盒形梁結(jié)構(gòu)

2 焊接缺陷及原因分析

Q345板材屬于低碳合金鋼，焊接性能良好。焊接方法采用混合氣體保護(hù)焊，焊絲為ER50-6。盒形梁不同位置的框架均為封閉結(jié)構(gòu)，部件整體焊接完成后在外側(cè)加工坡口，組對(duì)成整體部件時(shí)再一次形成封閉結(jié)構(gòu)。各盒形結(jié)構(gòu)采用厚度為20 mm及以上的厚板，具體接頭形式及坡口尺寸見表1。為滿足裝配要求，設(shè)計(jì)圖紙要求各板鈍邊≥2 mm，這樣設(shè)計(jì)能保證裝配質(zhì)量并能防止焊接時(shí)產(chǎn)生燒穿等缺陷，但是這樣的接頭形式可達(dá)性差，根部無法焊到，在對(duì)封閉接頭焊接時(shí)，由于無法清根，極易在根部鈍邊處產(chǎn)生夾雜及未融合等焊接缺陷[1]。圖3為盒形梁斷面結(jié)構(gòu)圖，盒形梁要求在四周各板上開坡口并且全熔透，坡口形式為鈍邊2 mm，坡口角度50°±5°。工廠焊接了一件盒形梁試驗(yàn)件，經(jīng)超聲波探傷，50%以上的焊縫根部存在未融合和氣孔缺陷，未融合深度約1 mm～2 mm。在對(duì)根部未融合缺陷進(jìn)行返修時(shí)，主要是通過機(jī)械打磨來清理缺陷，返修工作量大，同時(shí)在返修時(shí)由于接頭位置增加，增加了焊接缺陷產(chǎn)生的幾率，返修成功率低。

圖3 封閉式盒形梁斷面結(jié)構(gòu)圖

表1 封閉式盒形梁常用接頭形式及坡口尺寸

因此，封閉式盒形梁結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量已成為困擾其生產(chǎn)順利進(jìn)行的技術(shù)障礙，須立項(xiàng)攻關(guān)解決。

3 解決措施

3.1 總體思路

對(duì)盒形梁焊縫成型不達(dá)標(biāo)的原因進(jìn)行分析，采用單面焊雙面成型的技術(shù)進(jìn)行解決，從坡口形式、焊接方法、焊接參數(shù)和環(huán)境等幾個(gè)方面進(jìn)行控制，提高焊接質(zhì)量。

經(jīng)過分析，工廠現(xiàn)使用的焊接方法主要為混合氣體(CO2+Ar)保護(hù)焊，該焊接方法采用短路過渡時(shí)，不能按細(xì)顆粒過渡方法設(shè)計(jì)坡口，同時(shí)允許較小的鈍邊，甚至可以不留鈍邊；又因?yàn)檫@時(shí)的熔池較小，融化金屬溫度低，黏度大，搭橋性能良好，所以間隙大些也不會(huì)燒穿[2]。

3.2 項(xiàng)目實(shí)施方案

3.2.1 改進(jìn)封閉結(jié)構(gòu)最后兩道焊縫的坡口形式

對(duì)于角接接頭的封閉焊縫，將封閉焊縫的坡口形式改為銳鈍邊，即將2 mm鈍邊減小至0～0.5 mm，同時(shí)裝配時(shí)應(yīng)保證根部間隙為2 mm～3 mm，這樣就能解決焊槍不可達(dá)、根部無法熔透的問題，從而保證根部良好的熔合和成型[3]。但是這樣的接頭形式，在焊接第一層焊道時(shí)極易燒穿，焊接時(shí)應(yīng)重點(diǎn)控制。焊接時(shí)應(yīng)采用單面焊雙面成型技術(shù)，在坡口根部進(jìn)行組裝定位時(shí)，按焊接時(shí)的不同操作手法留出不同的間隙，對(duì)坡口形式和尺寸的加工精度應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證焊絲能到達(dá)根部附近，使運(yùn)條方便。

3.2.2 根部焊接時(shí)改進(jìn)焊接方法

對(duì)于對(duì)接接頭的焊縫，采用手工鎢極氬弧焊或氣體保護(hù)焊、電弧焊焊接第一道反面成型焊縫，然后再用混合氣體(CO2+Ar)保護(hù)焊焊接工藝填滿坡口。對(duì)于能在背面清根的焊縫，為了達(dá)到完全熔透的目的，允許在焊接時(shí)進(jìn)行機(jī)械清根后再進(jìn)行焊接；對(duì)于清根操作困難的焊縫，應(yīng)將其鈍邊改為銳鈍邊，允許在其背面先焊接一道角焊縫，然后再在正面進(jìn)行施焊。

3.3 實(shí)施效果

為驗(yàn)證改進(jìn)后方案的焊接效果，將以上確定的改進(jìn)方法投入焊接試板進(jìn)行焊接試驗(yàn)，摸索工藝參數(shù)。通過對(duì)試板的焊接，總結(jié)出了一套確實(shí)可行的工藝參數(shù)，保證在進(jìn)行坡口正面焊接時(shí)，就能在坡口的正、背兩面都得到均勻整齊、成型良好、符合質(zhì)量要求的焊縫。焊接工藝參數(shù)見表2，焊接試板試驗(yàn)情況見圖4。通過無損檢測(cè)，所有焊縫均達(dá)到了技術(shù)要求，表面質(zhì)量也得到了提升和改善。封閉式盒形結(jié)構(gòu)梁上所有坡口焊縫質(zhì)量要求達(dá)到GB/T11345—1989《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)中B級(jí)Ⅰ類，所有焊縫表面質(zhì)量達(dá)到JB/T4730.4—2005《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第4部分：磁粉檢測(cè)》Ⅱ級(jí)水平。

圖4 焊接試板試驗(yàn)情況

表2 焊接工藝參數(shù)

4 效果驗(yàn)證

經(jīng)過工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的工藝方案合理，通過對(duì)不同接頭形式和工藝方法的改進(jìn)，使封閉式盒形結(jié)構(gòu)梁焊接質(zhì)量顯著提高，根部未融合及夾雜的情況大為減少，保證了焊接質(zhì)量。該項(xiàng)成果已在某型臺(tái)體生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，并通過了加載試驗(yàn)考核，滿足使用要求。

5 結(jié)論

封閉式盒形結(jié)構(gòu)梁的焊接成型質(zhì)量直接影響到航天地面設(shè)備的性能及任務(wù)指標(biāo)。通過本次攻關(guān)掌握了封閉式盒形結(jié)構(gòu)的焊接成型技術(shù)，有效地解決了其焊接成型困難的問題，提高了焊接質(zhì)量，在中厚板單面焊雙面成型技術(shù)上取得了進(jìn)一步提升與改進(jìn)。該項(xiàng)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于其他封閉式焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)中，如重要的焊接式車架、吊具等重要的承力結(jié)構(gòu)件。