大型冷剪機(jī)箱體焊接變形控制

宋善蕓 孫業(yè)青

（中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司 陜西 西安 710201）

1 前言

大型冷剪機(jī)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)成功應(yīng)用了多項(xiàng)成熟的專利技術(shù)，包括卯榫式機(jī)架，蜂窩網(wǎng)格減震抗沖擊刀座及底盤，前端板防軸串防松及多銷抗剪定位的三維閉口緊固導(dǎo)向框架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等。通過配置主電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高配離合器、超標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)動(dòng)力及飛輪矩動(dòng)力儲(chǔ)備等有效手段來保證冷剪的高效剪切。

冷剪箱體的尺寸精度在很大程度上影響著冷剪的使用壽命和剪切工作效率。如圖1所示，該種型號的冷剪箱體設(shè)計(jì)長度為3950mm，寬度為3630mm，高度為3205mm，鋼板主要材質(zhì)選用Q345B。為了確保冷剪箱體后期的機(jī)加工精度，在毛坯制作環(huán)節(jié)就要通過制定合理的焊接工藝來防止變形。下面將針對這種大型冷剪箱體的鉚工組對裝配、焊接工藝和防變形措施等進(jìn)行詳細(xì)論述。

圖1 冷剪箱體簡圖

2 焊接應(yīng)力和變形

焊接應(yīng)力，是焊接構(gòu)件由于焊接而產(chǎn)生的應(yīng)力。焊接過程中焊件中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和焊接熱過程引起的焊件的形狀和尺寸變化。焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因［2］。在沒有外力作用的條件下，焊接應(yīng)力在焊件內(nèi)部是平衡的。焊接應(yīng)力與變形在一定條件下會(huì)影響焊件的功能和外觀，因此是制造中必須考慮的問題。

焊接變形包括縱向收縮變形、橫向收縮變形、橫向彎曲變形、旋轉(zhuǎn)變形、波浪變形、扭曲變形、縱向彎曲變形。影響焊接變形的因素有焊縫位置的影響、結(jié)構(gòu)剛件的影響、裝配焊接程序的影響、焊縫長度和坡口型式的影響、焊接規(guī)范和方法的影響、焊接操作方法的影響、材料線脹系數(shù)的影響［3］。為此可以采用合理的設(shè)計(jì)、必要的工藝措施（如預(yù)留收縮量、反變形法、選擇合理的焊接方法和規(guī)范、合理的裝配焊接次序、剛性固定法、熱調(diào)整法）來控制焊接變形的存在或盡量減少焊接變形。

焊接應(yīng)力包括熱應(yīng)力、拘束應(yīng)力、相變應(yīng)力、氫致集中應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力。這些應(yīng)力的存在對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與受壓件穩(wěn)定性、構(gòu)件脆性斷裂、疲勞強(qiáng)度、焊件加工精度和尺寸穩(wěn)定性都有影響。所以我們必須減少和消除焊接應(yīng)力，可以從工藝及焊后處理兩方面入手。

3 控制變形

大型冷剪箱體是大型金屬結(jié)構(gòu)件，結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理和主要位置受力分析，標(biāo)注出重點(diǎn)關(guān)鍵受力焊縫，注明探傷等特殊要求，并在生產(chǎn)中嚴(yán)格遵守焊接工藝。

為了控制焊接變形，采用分步焊接裝配，先由零件裝配成部件，焊接合格后，再由部件裝配焊接成結(jié)構(gòu)件［4］。整個(gè)過程安排合理的焊接順序，避免由于裝配順序錯(cuò)誤而導(dǎo)致有焊縫無法焊接的現(xiàn)象。通過整體退火來控制焊接變形和釋放應(yīng)力，保證結(jié)構(gòu)件形位尺寸準(zhǔn)確，確保高度尺寸公差為±5mm，最終實(shí)現(xiàn)控制焊接變形的目的。

4 組對裝配

4.1 部件組對

認(rèn)真檢查零件尺寸和外觀質(zhì)量，特別注意焊接坡口是否合格，無問題后方可進(jìn)行組裝。裝配前，清理待焊部位焊接區(qū)兩側(cè)30mm內(nèi)的油、銹等污物。選擇正確的裝配基準(zhǔn)，把握好裝配尺寸精度，尤其應(yīng)控制焊后各加工部位尺寸余量。

將側(cè)板中的1＃、2＃、3＃件按圖紙要求組對，如圖2所示，定位焊牢固，定位焊焊接參數(shù)見表1。焊縫應(yīng)均勻，焊接區(qū)長度大于40mm，焊縫厚度≥6mm，焊縫尺寸不應(yīng)超過圖示尺寸的2／3高。

圖2 側(cè)板簡圖

表1 定位焊焊接參數(shù)

由于3＃材質(zhì)為ZG270～500，焊前需要進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150℃～200℃，冬季采用整體預(yù)熱。采用ER50-6（Φ1.2）焊絲+（Ar+CO2）氣體保護(hù)焊施焊，焊縫采用對稱、多層多道焊，可有效防止部件焊接變形（焊接工藝參數(shù)見表2）。焊縫要均勻平整、寬窄一致，各層、各道焊縫應(yīng)錯(cuò)開接頭。嚴(yán)格層間清渣處理，焊接開始后盡量中途不停歇，整個(gè)焊接過程使用測溫槍檢測層間溫度，溫度應(yīng)控制在100℃～150℃，側(cè)板焊接完成后用石棉網(wǎng)蓋住保溫緩冷6～8小時(shí)，防止焊縫產(chǎn)生裂紋。

表2 （Ar＋CO2）氣體焊接參數(shù)

按照同樣要求，組對冷剪箱體部件下刀座，確保焊縫焊接質(zhì)量和尺寸要求達(dá)到圖紙要求。

4.2 整體組對

按圖紙要求將下刀座、側(cè)板、零件簡圖4＃、5＃（如圖3所示）、其他零件和底板進(jìn)行組對，其中4＃件板厚為160mm，對其U型上開口處，安裝好支撐，防止在焊接、吊運(yùn)翻轉(zhuǎn)中產(chǎn)生變形。

圖3 零件簡圖

涉及焊縫超聲波探傷檢查要求的，組對時(shí)留2mm～3mm間隙，以確保能焊透。做好探傷標(biāo)記，轉(zhuǎn)入焊接工序。

焊接時(shí)先焊錯(cuò)開的短焊縫，再焊直通長焊縫，以防在焊縫相交處產(chǎn)生裂紋。對于長焊縫可采用分中對稱焊法、分段逐步退焊法、跳焊法，以減少應(yīng)力集中和焊接變形。圖中已標(biāo)注的焊縫嚴(yán)格按圖紙要求執(zhí)行，未注明焊縫要求的，按照板厚≤30mm，角焊縫焊縫高為15mm，板厚≥30mm，角焊縫大小按SN200的相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

超聲波探傷焊縫使用碳弧氣刨進(jìn)行清根，焊縫要焊透，嚴(yán)格層間清渣處理，焊后修平、修磨。按標(biāo)準(zhǔn)《承壓設(shè)備無損檢測 第三部分：超聲檢測》探傷合格。

對油箱、油管等密封部位進(jìn)行煤油滲漏試驗(yàn)，對焊縫按照煤油滲透檢驗(yàn)規(guī)范《鋼制焊接常壓容器》中相關(guān)要求執(zhí)行，確保密封無任何滲漏，對滲漏處按原工藝規(guī)范進(jìn)行補(bǔ)焊返修，并做好記錄。

焊后觀察焊縫成形，確保表面沒有氣孔、夾渣、裂紋、未熔合及未焊透等缺陷，如果發(fā)現(xiàn)存在缺陷，按原工藝進(jìn)行返修。

5 焊后退火

將冷剪箱體放進(jìn)退火爐，消除焊接應(yīng)力。確保接觸面必須平直，防止受熱產(chǎn)生變形。組件應(yīng)放處于熱處理爐的有效加熱區(qū)域內(nèi)，并避免火焰直接噴射工件，應(yīng)保證爐內(nèi)熱量均勻、流通［5］。退火熱處理曲線應(yīng)滿足圖4要求。

圖4 退火曲線

在常溫狀態(tài)下進(jìn)爐，以每小時(shí)小于50℃升溫到550℃，保溫3小時(shí)，保溫后以每小時(shí)小于50℃進(jìn)行降溫，降溫到200℃以下時(shí)，出爐移至避風(fēng)處進(jìn)行空冷處理。

6 焊后檢驗(yàn)

待冷剪箱體完全冷卻后，對關(guān)鍵尺寸進(jìn)行復(fù)查，確保有足夠的加工余量。對個(gè)別變形處，使用火焰進(jìn)行校正，直到完全符合圖紙尺寸要求。

7 結(jié)論

綜上所述，考慮到焊接的可操作性及消除焊接變形，裝配時(shí)采用分步組對，焊縫采用對稱、分段退焊法進(jìn)行多層多道焊，可有效防止箱體焊接變形，整體控制外形尺寸，以確保產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。

目前，該控制焊接變形的工藝，經(jīng)過多次實(shí)際操作論證，在減小焊接變形和應(yīng)力集中，改善勞動(dòng)條件，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高加工精度等方面成效顯著。