超高強鋼起重臂焊接工藝及變形控制

四川長江工程起重機有限責任公司 （瀘州 646006） 曾芳英

1.概述

近年來，我國經(jīng)濟進入突飛猛進的發(fā)展期，作為經(jīng)濟發(fā)展基石的機械工業(yè)也隨之取得了飛速發(fā)展。市場對現(xiàn)代工程機械及冶金礦山機械、起重機械等焊接結(jié)構(gòu)機械裝備要求日益大型化、輕量化。然而，我公司缺乏前瞻性技術(shù)和產(chǎn)品研究，產(chǎn)品始終處于同行業(yè)的同質(zhì)化競爭中，盈利能力不足。迫在眉睫需要研究單缸插銷式起重機吊臂伸縮技術(shù)，達到傳統(tǒng)雙油缸鋼絲繩伸縮無法實現(xiàn)的特殊功能。為此，對大噸位起重機中關(guān)鍵受力構(gòu)件起重臂要求高，鋼材不僅要具有良好的綜合力學性能，而且對于在特殊條件下使用的鋼種，還要求其具有相應的特殊性能，比如耐沖擊等；同時要求鋼材應具有良好的加工工藝性能，如焊接性。此時，普通碳鋼已經(jīng)不能滿足結(jié)構(gòu)性能需要，所以材料選用瑞典奧克德隆（SSAB）鋼鐵公司生產(chǎn)的超高強鋼WELDOX960。但是，超高強鋼WELDOX960如何合理選擇焊接參數(shù)和焊接變形控制技術(shù)對我公司來說還是空白。因此為保證新產(chǎn)品順利研發(fā)，筆者在樣機生產(chǎn)前進行了大量的焊接工藝試驗研究。

2.產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

我公司某新產(chǎn)品單杠插銷起重機吊臂筒體結(jié)構(gòu)如圖1所示，上、下槽板分別選瑞典超高強度結(jié)構(gòu)鋼WELDOX960的6mm、7mm厚的鋼板焊接而成，其中某最長節(jié)臂115 000mm。

技術(shù)要求如下：

（1）筒體上平面、左右側(cè)面的平面度≤1mm/1000mm。

（2）左右側(cè)面的平行度≤1.5mm/1000mm。

（3）左右側(cè)面對上平面在任何截面上的垂直度≤1.5mm/1000mm。

（4）主焊縫全長探傷：UT-Ⅱ；當超聲波檢測條件不足時可用MT-Ⅱ磁粉探傷。

圖1

3.工藝分析

WELDOX960高強鋼屬于調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)用鋼，其屈服強度大于960MPa。廠家評定該鋼種具有良好的冷彎性能和低溫沖擊韌性，優(yōu)異的力學性能和焊接性。特別適合我公司開發(fā)某單缸插銷式起重機吊臂的要求，其力學性能和化學成分如表1、表2所示。但是如此超高強度的鋼材在我公司首次使用，工藝分析認為：根據(jù)鋼的合金化原則，一般隨著低合金鋼的強度不斷提高，其化學成分中的碳及合金元素也會相應增多，絕大多數(shù)焊接過程快速的局部加熱和冷卻，在一定的熱循環(huán)作用下，使焊縫的本身和近縫區(qū)發(fā)生了一系列金相組織變化，因而焊縫接頭部位不可避免地將產(chǎn)生內(nèi)應力和變形。焊接應力和變形不但可能引起工藝缺陷，而且在一定條件下將影響結(jié)構(gòu)件的承載能力，諸如強度、剛度和受壓穩(wěn)定性。除此以外還將影響到結(jié)構(gòu)的加工精度和尺寸穩(wěn)定性，尤其在塑性較低的低合金超高強度鋼的焊接過程中更為突出。

另外，對于我公司新開發(fā)的某起重機吊臂，為滿足在受力最大工況下各危險截面的安全性和實現(xiàn)自動化電控技術(shù)的可靠性，起重臂上下對接槽板焊縫要求全長無損檢測超聲波探傷達UT-Ⅱ級，每節(jié)起重臂截面幾何尺寸、幾何公差要求嚴格。因此對超高強鋼WELDOX960焊接技術(shù)中如何合理的選擇焊接參數(shù)和焊接變形控制，成為研究攻關(guān)的重點和難點。

表1 WELDOX960的力學性能

表2 WELDOX960鋼材的化學成分

4.焊接工藝方案的確定

（1）理論計算 依據(jù)WELDOX960鋼化學成分，其碳當量CET=0.53，根據(jù)碳當量初步判定，WELDOX960鋼焊前需要預熱處理的必要性大。否則，對接焊縫和根部焊道容易開裂。

（2）超高強鋼焊接材料選擇的一般原則 對于超高強鋼，由于強度提高，鋼材塑韌性不斷下降，如果仍采用等強原則，選用高組配的焊接接頭，焊縫的韌性將近一步降低，并可能導致由焊縫金屬韌性不足而引起低應力脆性破壞。所以超高強鋼焊接宜采用等韌性原則，選擇焊縫韌性不低于基體金屬的低匹配焊接接頭比較合理。采用低強的焊縫并不總是意味著焊接接頭的強度一定低于母材，只要焊縫金屬的強度不低于母材的87%，仍可保證接頭與母材等強。所以WELDOX960高強鋼焊接材料的選擇在首先滿足焊接接頭力學性能的前提下，選用瑞士OERUKON公司生產(chǎn)的實芯焊絲E－FK1000，φ1.2mm。這樣焊接材料與鋼板構(gòu)成了低強度匹配。

（3）焊接工藝方法選擇 由于調(diào)質(zhì)狀態(tài)下低合金超高強鋼WELDOX960，只要加熱溫度超過了它的回火溫度后性能就會發(fā)生變化，所以選用熱量集中、熱影響區(qū)較窄的80%Ar+20%CO2氣體保護半自動打底焊，80%Ar+20%CO2氣體保護全自動焊填充蓋面焊等焊接方法代替氣焊和焊條電弧焊，可以減少薄板起重臂焊接變形。

（4）焊接參數(shù)確定 對于選定的鋼種和焊接方法來說，焊接熱影響區(qū)的組織主要取決于焊接參數(shù)，也就是熱輸入，因此合理選擇熱輸入十分重要。實踐證明，過小的熱輸入造成淬硬組織并易產(chǎn)生裂紋，過大則易造成晶粒粗大和脆化，降低材料的韌性，因此應該確定兼顧兩者的冷卻速度的范圍。為了保證WELDOX960鋼的熱影響區(qū)缺口韌性，當板厚≤12mm時，最大熱輸入為1.7kJ/mm。通過系列試驗，選定的焊接參數(shù)如表3所示。

表3 焊接參數(shù)

5.焊接變形控制

焊接變形控制是一個復雜的、綜合的過程，與整個結(jié)構(gòu)形式、整體安裝順序、焊接工藝措施等緊密相關(guān)。筆者在試件和樣機制作過程中認真分析，不斷改進，制定了控制焊接變形的措施。

（1）合理地選擇主焊縫的尺寸和形式 焊縫尺寸直接關(guān)系到焊接工作量和焊接變形的大小，焊縫尺寸大，不但焊接量大，而且焊接變形也大。因此，在按GB/T3811—1983《起重機設(shè)計規(guī)范》，采用許用應力法在受力最大工況下對各危險截面受力狀況進行全面計算分析，在首先滿足結(jié)構(gòu)使用性能的前提下，把圖2a所示的起重臂上、下槽板主焊縫焊接接頭形式改為圖2b，去除了全長主焊縫墊板，雙邊V形坡口變?yōu)閱芜匳形坡口，這樣材料、工序、焊接工作量及焊后矯正工作均大大減少。

圖2

（2）合理的安排主焊縫的位置 起重機吊臂屬于長度長、寬度窄的柱類構(gòu)件，如果主焊縫盡可能對稱于截面中性軸，或者使主焊縫接近中性軸，這對減少起重臂的撓曲變形有良好的效果。為此，根據(jù)工廠現(xiàn)有設(shè)備能力，計算折彎機成形上、下主槽板極限高度尺寸，選擇一組既能保證彎曲工藝性，又能接近中性軸的上、下槽板高度尺寸。

（3）剛性固定 由于超高強鋼WELDOX960起重臂σs=960MPa，剛度太大，采用反變形法預防構(gòu)件的撓曲變形困難，所以在試驗過程中分別采取了兩種剛性固定法來防止和減少角變形和主焊縫塌陷、波浪變形等焊接缺陷。根據(jù)試驗結(jié)果，采取圖3a所示剛性固定法，在起重臂上、下槽板組裝成筒體后，操作者鉆進筒體沿起重臂縱向間距1.5～2m支撐絲杠。焊后支撐的部位基本能保證產(chǎn)品幾何尺寸，通過手工和機械等方法矯形后能保證產(chǎn)品質(zhì)量。采取圖3b所示起重臂全長用模芯剛性支撐，可將起重臂幾何尺寸控制在接近公差范圍內(nèi)，矯形工作量小。但是模芯調(diào)節(jié)范圍有限，由于不同截面需要不同模芯，成本高，占地空間大，適合大批量工位生產(chǎn)，所以采取圖3a所示剛性固定法經(jīng)濟實惠，操作方便。

圖3

（4）預熱溫度的確定 對低碳調(diào)質(zhì)鋼WELDOX960來說，預熱的目的主要就是為了防止冷裂，對于改善熱影響區(qū)的性能意義并不大，因此為了避免盲目的提高預熱溫度，依據(jù)當量板厚的選擇原則，分別按GB4675.1—1984《斜Y形坡口裂紋試驗方法》和GB4675.2—1984《搭接接頭（CTS）焊接裂紋試驗方法》進行焊接和加工試件，焊完后試驗經(jīng)48h后進行檢測和解剖。根據(jù)表面及斷面裂紋率出現(xiàn)的情況，確定了WELDOX960鋼板≤12mm時最低預熱溫度為75℃。如果環(huán)境濕度大，或者溫度低于5℃，最低預熱溫度應再增加25℃左右。

6.焊后檢驗

樣機按以上焊接工藝和預防焊接變形的措施生產(chǎn)，焊后經(jīng)專業(yè)檢驗人員根據(jù)GB/T11345—1989《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級》100%無損超聲波探傷，三坐標儀檢測幾何尺寸、幾何公差均滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

7.結(jié)語

在工程機械中，由于超高強度鋼將用于重要結(jié)構(gòu)處，承受較大的載荷，因此焊接質(zhì)量決定著整個結(jié)構(gòu)的強度，影響起重機的使用壽命。通過理論分析和實踐研究表明，設(shè)計合理的起重機吊臂焊接接頭形式，采取合理的焊接工藝措施，可保證起重臂整體質(zhì)量。