工程機械用厚鋼板焊接技術分析

摘 要：本文以工程機械用厚鋼板為載體，對其焊接工藝進行了完整全面的分析研究。主要對焊接前的熱處理工藝、厚鋼板的焊接結構、焊接工藝和焊接后的殘余應力消除等方面進行了研究，并給出了相應的技術對策。本論文對于相關技術人員學習研究提供了有益的參考。

關鍵詞：厚鋼板，焊接，工程機械，技術分析

引言

隨著我國大型基礎建設的高速發展，對應需要的大型工程機械也越來越多，對大型工程機械設計研制過程中的厚鋼板、大型管件和軸類件的焊接性能都提出了極為苛刻的要求，特別是厚鋼板的焊接要求更為嚴格[1-3]。厚鋼板是大多數大型工程機械的最基本的組成部分，是大型工程機械的主要構件，工程機械厚鋼板的有效焊接對整機的使用壽命和使用性能有著至關重要的影響，同時高質量的厚鋼板焊接也能保證工程機械在后續的施工作業中對惡劣環境表現出較好的適應能力。與其它薄鋼板或桿管類零件的焊接不同，厚鋼板的焊接過程中使用的焊條熔融量非常大，同時焊接過程中輸入的熱量也非常高，由于鋼板較厚所以難以實現自由焊接，這些難點都會造成焊接過程中或焊接后的厚鋼板產生裂縫[2-6]。因此對厚鋼板的焊接技術進行研究，對保證焊接質量具有重要的意義。

1、焊接前的預熱處理工藝

厚鋼板在焊接前一般放置在空氣中，溫度一般為幾十度，而焊接過程中產生的溫度可高達千余度，焊接結束后由于溫度的急劇下降非常容易造成硬度較大的馬氏體晶格產生，這樣相當于淬火的過程，當焊接厚鋼板內部的應力集中達到一定值后就會產生裂縫。避免內部應力集中導致裂縫的發生，較好的措施是焊接前對厚鋼板預熱一段時間。對于預熱的溫度要求極為嚴格，如果預熱溫度合適，可以減少厚鋼板焊縫的應變率，最終可大大降低裂縫的產生概率。如果厚鋼板的預熱溫度過高，不僅使焊接的環境更加惡劣，同時由于局部加熱導致了內部應力的產生，最終導致后續焊接中裂縫的發生。在焊接過程中不僅要考慮預熱溫度，同時要求對環境溫度、鋼材材質、鋼材厚度等因素都做全面考慮評估。一般的厚鋼板預熱按照以下要求進行：厚鋼板的硬度越高，需預熱的溫度越高；焊接過程中焊漿冷卻的速度比較快，需預熱的溫度則相對較高；對于普通碳素結構鋼，如果厚度大于五十毫米，則預熱溫度基本控制在七十到一百攝氏度。如果鋼材為低合金結構鋼，厚度在三十六毫米以上，則預熱溫度基本控制在八十到一百二十攝氏度。焊縫的焊接自由度和可操控性能較低時，需要預熱的溫度越高。

2、厚鋼板焊接結構的優化設計

厚鋼板焊接過程中，非常容易產生較大的焊接構件變形，避免焊接構件變形的一個有效方法是對焊接結構進行優化設計。具體一般按照以下幾個方向進行：

（1）優化設計焊縫的長度和焊縫的數量。在厚鋼板焊接設計過程中，焊縫的長度不能設計過長，如果能夠滿足基本的焊接要求，推薦使用多條短縫焊接替代長縫焊接的技術，這樣能夠最大程度地降低鋼材焊接過程中的構件變形量。在短焊縫的數量方面也盡量不要過多，過多的焊接縫會使焊漿熱量過大而使厚鋼板產生較大的應力集中，最終使鋼材產生變形。

（2）降低焊縫截面處的面積。在實際焊接過程中，采用對接焊縫工藝的厚鋼板受力分布比采用角焊縫工藝的厚鋼板更加均勻。所以對接焊縫一般為我們的優選策略。對于結構比較復雜的厚鋼板，必須采用角焊接工藝時，我們要盡量降低焊接截面的面積和尺寸。對于不同厚度的鋼板焊接，我們要求將坡口加工在厚度較小的鋼板上，這樣可以控制焊漿的量，同時也可以最大限度地減少厚鋼板的變形量。

（3）厚鋼板構件的焊縫形態盡量采用對稱結構設計。在厚鋼板焊接過程中由于焊縫周邊鋼材的快速加熱和快速冷卻，導致鋼材內部產生應力集中和應變。當焊縫和焊接結構保持對稱時，鋼材內部的應變和應力就會相互平衡，最終焊接成型的工程機械基本不會產生變形量。

（4）避免重復焊接或重疊焊縫的產生。在焊接過程中，如果焊縫產生重疊，那么焊漿的發熱區域就會產生交叉，在厚鋼板反復受熱的過程中，其內部的晶體顆粒組織發生變化，最終導致焊接部位及附近鋼材的抗拉強度和屈服強度變低，影響整臺工程機械的強度。所以我們在焊接的過程中要盡量將不同的焊縫錯開，按照設計要求，相鄰兩條焊縫的距離不能低于一百四十毫米。

3、焊接工藝優化分析

（1）嚴格控制夾持厚鋼板的夾具工裝的尺寸數量級別，確保高精度。夾具工裝的高精度對于確保厚鋼板焊接質量與焊接精準度至關重要。在對大型厚鋼板的焊接過程中，主要有兩個參數需要精準控制，一個是縱軸與橫軸方向的尺寸精準度，另一個是兩塊鋼板在對角線方向的精準度。在一般的焊接設計要求中，縱軸與橫軸方向的尺寸精準度要控制在千分之三的范圍以內。對于放置厚鋼板的平臺的平整度也要控制在規定的精度范圍內，特別要注意考慮夾具工裝夾緊后產生的平臺平整度變化量。否則會產生較大的偏差，一般情況下，平臺的平整度偏差在四個毫米以內時滿足設計要求的。

（2）對于厚鋼板焊接過程中的焊接順序、工藝參數進行優化。如果需要焊接的鋼板焊縫過大，此時需要采用直徑較大的焊條進行焊接，焊接過程中的電流不能過大，焊接的線速度可以適當提高，采用多條焊道多層組合焊接的方式進行，全面控制變形產生。對于焊接順序優化方面精準合理控制也可大大降低焊接產生的變形，在焊接前需要對焊接可能產生的變形和方向進行分析研究、制定最優方案。在焊接設計中，我們一般要求首先對變形量較大的鋼材進行焊接，最后對變形量小的鋼材進行焊接。

（3）厚鋼板形狀矯正技術。厚鋼板形狀矯正技術是焊接過程中的較為重要的工序流程，對于厚度大于三十毫米的鋼材，常用的且表有效的矯正技術是高溫火焰噴射矯正和機械力矯正。同時根據不同零件的變形量不同，可以進行多次、少量的重復矯正，直至達到設計精度和技術要求。

4、焊接殘余應力消除分析

厚鋼板焊接后其內部的殘余應力不可避免，其表現形式為拉應力或壓應力，是裂紋產生的主要原因，所以有必要對厚鋼板內部殘余應力進行消除。當期已有的處理方法有熱處理去除殘余應力、振動法去除殘余應力和自然去除法。其中自然去除法耗時較長且效果不夠明顯，目前應用還不夠廣泛。振動法去除殘余應力的設備簡單、易操作、成本低、效果好，目前應用較多。熱處理法應用效果最好，但對于大型工程機械，由于其零件過大難以實現均勻加熱。所以具體選用何種方法消除殘余應具體問題具體分析。

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作者簡介：

楊震（1990年出生），性別男，漢族，江蘇徐州人。目前就職于徐工集團道路機械事業部，助理工程師職稱，本科學歷。主要從事工程機械結構件等焊接工藝研究