桁架臂臂頭主弦管與接頭焊接工裝的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

武太斌 李新群 孫躍

桁架臂臂頭主弦管與接頭焊接工裝的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

武太斌 李新群 孫躍

臂頭結(jié)構(gòu)是履帶起重機(jī)的關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)件之一，其焊接質(zhì)量與起重機(jī)整機(jī)的安全性能息息相關(guān)。為保證臂頭結(jié)構(gòu)使用性能和整體穩(wěn)定性，在主弦管與接頭的連接焊縫接頭處需要獲得較高的強(qiáng)度和良好的韌性，通過對其相關(guān)焊接工裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，便于焊縫質(zhì)量的有效控制，避免了焊接缺陷的產(chǎn)生，對臂頭的質(zhì)量提升具有一定的指導(dǎo)意義。

1. 概述

隨著工程機(jī)械行業(yè)的高速發(fā)展，為滿足產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)性能與安全設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)件焊縫質(zhì)量的保證已成為產(chǎn)品綜合性能進(jìn)一步提高的關(guān)鍵因素。

如圖1所示，臂頭作為履帶起重機(jī)的關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)件之一，為保證該焊接結(jié)構(gòu)件的可靠性能，其主弦管與接頭均是采用高強(qiáng)鋼作為設(shè)計(jì)規(guī)范，兩者連接焊縫的質(zhì)量會(huì)直接影響起重機(jī)整機(jī)的安全性能。針對該連接焊縫的現(xiàn)有的質(zhì)量問題，公司通過進(jìn)一步的分析和優(yōu)化，提出了合理的焊接工裝設(shè)計(jì)方案，有效地提高了相關(guān)焊縫的質(zhì)量，最大程度地滿足了臂頭結(jié)構(gòu)的使用要求。

2. 焊接質(zhì)量問題

作為與其余臂架連接的主要部位，對于主弦管與接頭的對接焊縫質(zhì)量一般有著比較高的要求。為保證主弦管與接頭連接焊縫的質(zhì)量，并降低臂頭整體焊接

時(shí)的難度，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，在臂頭結(jié)構(gòu)實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，主弦管與接頭需要在臂頭整體拼點(diǎn)之前完成對接，即兩個(gè)零部件一般作為組件預(yù)先完成拼點(diǎn)焊接，以進(jìn)一步減少因焊接操作難度的提升而導(dǎo)致的焊接缺陷。

圖1 臂頭結(jié)構(gòu)

針對生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際施焊情況，該焊縫主要存在下述質(zhì)量問題：①焊縫易形成凸形焊道并產(chǎn)生裂紋。②焊縫成形面比較粗糙，影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量。③其他焊接缺陷：如咬邊、焊瘤、氣孔及夾渣等。

3. 影響因素分析

通過對臂頭生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際施焊情況進(jìn)行跟蹤了解，結(jié)合現(xiàn)有焊接工藝方案，針對主弦管與接頭對接焊縫現(xiàn)有的焊接質(zhì)量問題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，問題產(chǎn)生原因如下。

受臂頭自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式的影響，其主弦管與接頭組件的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，其端面結(jié)構(gòu)形式不規(guī)則，利用現(xiàn)有滾輪架焊接專機(jī)無法單獨(dú)進(jìn)行施焊。針對這種情況，生產(chǎn)現(xiàn)場一般采取以下兩種措施進(jìn)行解決：一種是對焊縫進(jìn)行平焊填充，手動(dòng)對單個(gè)組件進(jìn)行施焊；另一種是利用工藝支撐對組件進(jìn)行組對（見圖3），以完成在滾輪架焊接專機(jī)上的半自動(dòng)施焊。

上述兩種方式在生產(chǎn)時(shí)均具有一定的可行性，經(jīng)過對實(shí)際焊接情況的跟蹤比較，我們發(fā)現(xiàn)：首先，前者通過對焊縫進(jìn)行手動(dòng)平焊填充完成焊接，與后者相比雖然減少了工藝支撐的搭接時(shí)間，但由于沒有滾輪架焊接專機(jī)的輔助，焊接操作效率并沒有顯著的提高，反而由于采用平焊填充方式，焊縫的成形表面比較粗糙，外觀質(zhì)量比較低（見圖4），且容易產(chǎn)生焊接缺陷，進(jìn)一步影響產(chǎn)品的整體可靠性能；其次，后者為了減少焊接時(shí)間、保證對接焊縫的成形質(zhì)量，利用滾輪架焊接專機(jī)進(jìn)行組對焊接，雖然降低了焊接缺陷的產(chǎn)生概率，但在對該組件進(jìn)行焊前組對時(shí)需要保證兩者的同軸度，而臂頭所屬主弦管的不規(guī)則形狀無形中提高了組對時(shí)工藝支撐的搭接難度，進(jìn)而降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，與此同時(shí)焊接完成后對工藝支撐進(jìn)行氣割去除時(shí)，在主弦管內(nèi)部時(shí)常留有工藝支撐的氣割余量，在給生產(chǎn)造成成本浪費(fèi)的同時(shí)影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。

4. 焊接工裝的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

為了保證履帶起重機(jī)臂頭焊接質(zhì)量，提高產(chǎn)品可靠性能，針對上述問題，我們對現(xiàn)有焊接操作方案進(jìn)行了分析和優(yōu)化，設(shè)計(jì)一種相應(yīng)的輔助焊接工裝，有效地解決臂頭主弦管與接頭的類似焊接問題。

（1）工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在對履帶起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，接頭形式主要有三種：單接頭、雙接頭、三接頭；結(jié)合總體優(yōu)化后的方案理念，我們將最終改進(jìn)的臂頭主弦管與接頭對接焊縫焊接工裝分為兩類：雙接頭方案和單、三接頭共用方案，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，該焊接工裝需要結(jié)合滾輪架焊接專機(jī)輔助工件轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行半自動(dòng)施焊，其工作狀態(tài)如圖5所示。

兩種方案對應(yīng)的焊接工裝結(jié)構(gòu)如圖6所示。

該焊接工裝主要由螺栓、中間隔板或雙側(cè)夾板、銷軸、壓板等幾部分組成，主要是為了實(shí)現(xiàn)臂頭主弦管與接頭組件的快速組對及高效焊接，圖示兩種工裝結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別之處在于根據(jù)接頭樣式的不同改變的定位方式，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)臂頭接頭形式選擇對應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合接

頭外形尺寸，選用合適的中間隔板厚度或雙側(cè)夾板間距以及穿軸孔徑，并對相應(yīng)的螺栓孔合理布置，初定工裝各零部件外形尺寸，進(jìn)一步完成工裝的整體方案設(shè)計(jì)。

圖3 工藝支撐搭接焊接

圖4 平焊填充焊接效果

圖5 工裝焊接工作狀態(tài)

圖6 焊接工裝結(jié)構(gòu)

工裝具體操作過程如下：

第一，根據(jù)產(chǎn)品尺寸調(diào)整兩個(gè)滾輪架的間距至對應(yīng)尺寸。

第二，按照設(shè)計(jì)尺寸要求，將臂頭主弦管與接頭拼點(diǎn)定位成組件。

第三，根據(jù)工裝設(shè)計(jì)要求選取對應(yīng)的工裝零部件，結(jié)合實(shí)際選用的工裝方案，將臂頭主弦管與接頭組件兩兩組對裝配（見圖7）。

首先是雙接頭方案（見圖5~圖7右圖），裝配時(shí)雙接頭之間放置中間隔板，并穿銷軸加以定位，兩側(cè)采用壓板固定，使用螺栓將中間隔板與壓板鎖緊，保證兩組件之間的同軸度，同時(shí)通過螺栓鎖緊時(shí)的拉力對銷軸施以一定的預(yù)緊力，以增加銷軸與工件及工裝之間的摩擦力，防止施焊時(shí)銷軸脫落，避免安全事故的發(fā)生。

其次是單、三接頭方案（見圖5~圖7左圖），使用方法與雙接頭方案基本相同，區(qū)別之處在于定位方式的轉(zhuǎn)變，為了焊接時(shí)工裝的整體穩(wěn)定性能，在該方案中使用的是雙側(cè)夾板夾緊、再穿銷軸定位，使用螺栓分別對將兩側(cè)夾板與壓板進(jìn)行鎖緊。

第四，組對裝配完成后，將裝配后的組件吊運(yùn)至調(diào)整好的滾輪架上，放置平穩(wěn)（見圖5）。

第五，啟動(dòng)滾輪架焊接專機(jī)，按照焊接工藝開始對臂頭主弦管與接頭的對接焊縫進(jìn)行半自動(dòng)施焊。

第六，焊接完成后，先將組件吊離滾輪架，再將該焊接工裝取下留待下次使用，工件自動(dòng)轉(zhuǎn)入下道工序。

（2）工裝應(yīng)用效果 通過對工裝使用效果的跟蹤確認(rèn)，可以發(fā)現(xiàn)焊接工裝的使用最大程度的減少了組對時(shí)的人為誤差，保證了組對時(shí)兩組件的同軸度，有利于減少焊接缺陷的產(chǎn)生，提高了焊縫的焊后質(zhì)量。使用該工裝可以減少焊接準(zhǔn)備時(shí)間，調(diào)整較為方便，在降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)還可以提高工作效率；此外，利用焊接工裝可以得到較好的焊縫成形表面（見圖8），對提高產(chǎn)品的外觀質(zhì)量有著顯著的作用，是一種行之有效的方案。

圖7 組對裝配剖視

圖8 焊接效果

武太斌等，徐工機(jī)械建設(shè)機(jī)械分公司(履帶吊廠)工藝技術(shù)研究所。