新型推土機機架焊縫缺陷分析及優化

李德明　張民　雷寧寧　王彩鳳

新型推土機機架焊縫缺陷分析及優化

李德明張民雷寧寧王彩鳳

【摘要】通過對新型鏟運機械——靜液壓推土機關鍵結構件機架在制造過程中焊接缺陷的分析和結構優化改進的實施驗證，從工藝的角度提出一種解決焊縫質量缺陷的方案。

隨著流體傳動與控制技術的發展，并逐漸應用到工程機械產品中，提高了產品的性能，產品的控制形式逐漸由機械-液力式向全電液控制模式轉變，其性能的可靠性給液壓系統提出了更高的要求。在此技術升級的過程中，在鏟運工程機械大類中推土機率先實現了靜液壓技術升級換代，由于靜液壓推土機不同于常規推土機結構，液壓系統是獨立的模塊化設計結構組成，關鍵結構件的質量至關重要，尤其是機架作為主機最重要的受力承載主體，后面板關鍵焊縫質量一直是困擾產品質量的難題，至今未能徹底解決。

1. 焊縫結構

機架為整機各部件的裝配平臺和承載主體，結構比較復雜，主要由左右履帶梁、機架前體、機架后體和翼板合件等四大部分組成，采取6～40mm不同板厚Q460C材質焊接而成。由于機架尺寸較大，長寬4m×2.3m，考慮靜液壓推土機是公司戰略產品，量小且未定型，盡量減少專用型工藝裝備的投入，組對采取三維柔性工裝進行剛性組對。該通用工裝主要由多維平臺、定位裝置、縮進裝置、調整裝置、測量裝置和匹配設施等幾部分構成，通過粗加工、精加工及打磨拋光等工序，平臺平面度達到0.15/1000mm，孔位置精度達到0.1/1000mm，配合支撐角鐵、U型、L型方箱定位孔和定位槽使用，各部件裝卸方便，維護簡便，尺寸調整便捷、靈活，通用性高，定位平尺、定位角尺、快速鎖緊銷、夾緊裝置以及調高器等可以對組對各物料進行精確快捷的定位，能夠確保機架的組對精度。同時采取人工地攤式焊接，焊接過程中考慮焊接工藝順序和翻轉變位困難的現實問題，我們采取就焊縫位置的全方位焊接形式，其中后面板與主體立板的關鍵焊縫結構如圖1所示。圖1A為兩條長至單V形坡口焊縫，焊縫質量一直不符合公司Q/ STB12.606—2000一級焊縫的設計要求。

2. 焊縫缺陷分析

圖1　機架結構1.履帶梁（左） 2.機架前體　3.履帶梁（右） 4.翼板合件　5.機架后體

通過對機架焊縫設計結構進行分析，此處為28mm厚板材L型對接單35°V形坡口形式，焊接過程中采取月牙形擺幅的立向上CO2氣保焊接方法，采用的是YD －500松下焊機，f1.2mm ER50 －6某知名品牌鍍銅焊絲。焊接電流：打底140～180A，填充280～320A，擺幅為5～15mm，擺寬為2～3mm，焊后采取UT進行探傷，總是出現坡口下19～24mm

處未熔合現象。

通過對焊縫結構形式采取試板進行多次焊接工藝實操，發現上述焊縫質量問題同樣存在，對焊后試板采用線切割進行15mm間隔焊縫剖切，經過簡單的磨削和拋光處理，發現焊縫熔合區兩側出現斷續線性未熔合缺陷。

回顧上述操作過程，查閱相關焊接資料，通過焊接理論模擬，發現在常用500A CO2氣體保護焊焊槍，φ22mm、干伸長在12～15mm，組對間隙為1mm的單35°V形坡口焊接的過程中，為了保證電弧的燃燒最小空間f6mm，經過理論計算所得到的焊縫熔深極限范圍即為19～24mm（見圖2），也印證了UT探傷焊接缺陷的現象。通過對焊縫缺陷分析，我們認為后橋焊縫35°坡口較小，焊槍擺動受限，根部電弧無法燃燒，是導致焊接時出現未熔合現象的主要原因。

3. 工藝改進

(1)工藝結構優化 結合上述焊縫質量問題，經技術人員研究采取雙V形坡口代替原單V形坡口，組對間隙由原1mm調整為2～3mm；優化工藝流程，設置后橋合件121-30-17000V030，同時在組焊過程中采取高精度的工藝筋進行剛性固定，防止工件的焊接變形，并針對工件較大立焊實施難度大的問題，采取鋸齒形運條法和圓圈形運條法兩種平焊方式進行工藝試驗，如圖3所示。焊接電流：打底180～200A，填充蓋面300～340A，焊縫由六層調整為五層焊接。通過對試板焊接質量檢測，完全滿足KES標準精級焊縫的要求，同時設置后橋合件方便組焊和后續牽引架安裝位置的機械加工。

并通過對UT探傷合格的試板進行焊縫熔合區力學性能的檢測，其結果如附表所示。同時對試樣斷口進行金相組織觀察發現斷口韌窩形貌較明顯且較深，說明其焊接接頭具有良好的韌性和拉伸性能，完全符合Q460C板材和ER50－6焊絲焊接性的要求。

由于焊接接頭的組織對其性能起到至關重要的影響，所以針對母材、焊縫熔合區、熱影響區三部分進行了金相檢測，由圖4可以看出，母材組織為典型的奧氏體組織。本次焊接由于沒有采取預熱措施，故熔池冷卻速度快，焊縫形成晶粒細小的針狀鐵素體及下貝氏體組織，該組織的形成使焊縫具有較高的強韌性。熱影響區雖然是母材部分，但受熱循環的影響產生了粗晶區和細晶區，使它發生了與母材原始組織的性能不同的變化，使其性能遠不如母材甚至焊縫，是焊接接頭最薄弱的環節。在中等速冷卻的條件下形成晶粒細小均勻的鐵素體和貝氏體組織，回火索氏體組織的含量比較少，相當于熱處理的正火組織，保持了該區良好的力學性能。

圖2　焊接工藝

圖3　工藝結構改進

焊接接頭力學性能結果

(2)工藝設備改進 焊縫為兩條雙V形直焊縫，為實現對稱施焊和焊縫最舒適的船型焊接，我

們把該產品焊接由人工地攤式焊接調整至SD16常規推土機雙槍機器人作業單元進行工藝試驗，采取后橋合件上行走電動機安裝孔作為頭尾架定位旋轉軸實現全方位最佳姿態焊接。通過多批次試驗驗證和探傷檢驗結果表明，焊接質量穩定，生產效率高，頭尾架變位機雙機器人焊接作業單元，如圖5所示。

該設備的先進性主要表現在其采用高效的雙槍焊接和先進的可視化控制系統，運行穩定。通過程序控制系統內各軸（包括本體和各外部軸），機器人本體、移動裝置、外部軸（變位機）具有協調聯動功能，實現比較復雜的運動，達到焊接姿態最佳的目的，其控制原理如圖6所示。PLC與機器人之間采用Profibus-DP通信方式進行信號交換，實現PLC對機器人的控制；機器人與弧焊機控制器之間采用Devicenet通信方式進行數據交換，實現了機器人對弧焊機的控制機及弧焊機參數的設置。當操作人員按下工件裝夾完成按鈕后，PLC程序自動通過電磁閥和傳感器對伺服電動機進行控制，使變位機旋轉到工件最佳施焊位置，隨后依據選擇的工件類型，向機器人控制器發送程序選擇和工件到位信號，機器人依據信號對工件進行焊接，焊接完畢后，機器人回到原點。

考慮到構件一般都是由中厚鋼板拼接的結構件，工件在組對時難免會存在誤差，焊縫的位置和寬窄一致性不高，并且在焊接過程中，先焊接的焊縫產生的變形會作用在工件上，導致后焊接的焊縫偏離組對時的位置，為了保證焊接質量，要求機器人能夠在焊接時具有自動找正焊縫的起始位置和正確的方向，焊接中厚板的機器人系統都會帶有焊接起始點尋位、焊縫跟蹤和坡口寬度跟蹤功能等焊接功能。

4. 結語

SD10YE系列靜液壓推土機機架經過上述工藝結構改進和工藝設備調整后，后面板關鍵焊縫一次交檢合格率由5%提升到95%以上，焊接時間由改進前的60min/件提升為20min/件；同時在公司靜液壓推土機系列產品上進行了推廣，提高了產品關鍵結構件的焊接質量和生產效率。

圖4　金相組織（100×）

圖5　雙機器人焊接作業單元1.機器人單元　2.頭尾架變位機　3.后橋合件

圖6　聯動控制原理

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作者簡介：李德明等，山推工程機械股份有限公司。