大型箱形結構梁制造技術研究

韓巧珍，王銳敏，駱新營，岳佳宏，孟璇，申晨，黃汝哲，秦國方，楊曉華

山西航天清華裝備有限責任公司 山西長治 046012

1 序言

某產品的主承力結構件主要由10～12個大型箱形結構梁通過法蘭連接而成。各箱形結構梁均為超大超重件，零件所用鋼板厚度較大，焊縫數量多且長，焊接坡口大而深，90%以上焊縫為坡口焊，焊接和涂裝工作量大；各箱形梁內外表面均需涂漆，由于各箱形梁均超大超重，所以無法組焊后整體去銹涂漆，只能在零件狀態去銹涂漆后再組焊，而零件涂漆后組焊時待焊部位打磨清理量大，焊接輔助時間長；各梁中各零件坡口加工工作量大；組焊后梁整體加工量也大。總之，大型箱形梁在生產過程中，焊前清理、焊接過程以及加工等方面工作量均較大，整體生產成本高，生產效率低。

本文針對上述問題，對下料、焊接、加工等生產過程進行了工藝優化，降低了大型箱形結構梁的生產成本，提高了生產效率[1]。

2 大型箱形結構梁結構特點及主要存在問題

2.1 結構特點

大型箱形結構梁主要由內外腹板及上下蓋板，隔板與加強板等組焊而成（見圖1），鋼板材質為Q355鋼，板厚40mm、50mm，端面采用法蘭連接。梁高為2200～2750mm，寬度為2500～3500mm，長度在10m以上，最長的達到28m 。

圖1 大型箱形結構梁

工藝特點如下。

1）箱形梁內外表面均需噴涂底漆、中漆及面漆。

2）箱形梁組焊后，各焊縫質量均需滿足Ⅱ級焊縫無損檢測要求。

3）箱形梁中90%的焊縫為坡口焊縫，大多數零件需制坡口。

4）各梁組焊后，法蘭面及上下連接面均需進行整體加工。

2.2 主要存在問題

前期生產時，大型箱形梁生產過程中主要存在以下問題。

（1）焊前打磨工作量大，焊接輔助時間長 由于箱形梁均超大超重，無法在組焊后整體去銹涂漆，因此需在各零件裝配前進行去銹后涂底漆、中漆。但在各箱形梁組焊時需打磨去除待焊部位及兩側一定范圍內的油漆等雜質。各焊縫檢測前也需將焊縫兩側的油漆清理干凈。而本身油漆打磨較困難，再加上大形箱形梁漆膜厚度較厚，底漆厚度為60～80mm，中間漆厚度為120～140mm，打磨更困難。

綜上所述，零件涂漆后，部件組焊時焊前清理打磨工作量大，焊接輔助時間長，大大降低了焊接效率。

（2）箱形梁部件裝配效率低，裝配精度不穩定 大型箱形梁各零件均較大較重，部件裝配時各零件吊裝、找正擺放、裝點等困難，需多人共同操作，占用時間長，裝配效率低且裝配精度不穩定，不僅制約了整體裝配進度，而且產品整體質量穩定性差。

（3）箱形梁部件焊接效率低 各箱形梁之間通過法蘭（見圖2）進行連接。法蘭周圈焊縫為主要受力焊縫，質量要求高，需進行100%超聲波檢測，滿足Ⅱ級焊縫檢測要求。前期生產時，法蘭周圈焊縫為雙面坡口焊縫，為確保焊縫質量，焊接時先焊接一面坡口焊縫，再在另一面采用碳弧氣刨[2]清根后焊接。存在的主要問題：一是焊縫清根工作量大，焊接效率低；二是雙面坡口焊縫，內側焊縫無法采用埋弧焊[3]，只能采用氣體保護焊[4]，而氣體保護焊主要靠手工操作，焊接效率低，且焊縫質量不穩定。

圖2 法蘭示意

（4）零部件機加工工作量大，機加工效率低 前期生產時，考慮到各箱形梁坡口大，焊縫多且長，焊接填充量大，焊接變形及焊接收縮量等無其他類似產品可借鑒的經驗。為保證圖樣焊接、加工制造精度要求，確保產品一次成功，結合當時廠內下料設備能力，原零件下料外形均留有余量，組焊前需進行機加工；各箱形梁部件中90%以上焊縫為坡口焊縫，大部分零件還需加工坡口。因此，各零件外形及坡口均需機加工，加工工作量大。而由于大型盒形梁中各零件均較大，加工均需占用大設備，且需在加工工位與裝焊工位之間進行轉貨，因此轉貨專用費用及加工成本高。而且由于零件較多，加工周期長，裝焊時需進行等待，制約了裝焊進度，因此零件外形及坡口加工，制約了整個產品的生產進度。

各箱形梁組焊后需整體加工各法蘭面及上下面，因此梁整體組焊后加工面較多（3～6個）。加工時加工面需正對機床主軸，因此加工過程中需多次對工件進行翻轉加旋轉，加工效率低。另外，為了確保裝配順利，部分梁需試裝配后，再根據實際裝配情況配加工，因此，需在加工與總裝之間來回轉貨，轉貨成本高。而各梁均為超大超重件，目前只能在廠內WH250銑鏜床上加工，該設備為廠內瓶頸大設備，箱形梁加工時工件旋轉、來回轉貨均導致占用大設備時間長，不僅箱形梁加工效率低，也制約了其他產品的生產。

綜上所述，對于大型箱形結構梁的生產，無論焊接還是加工方面都存在生產成本高、生產效率低的問題。因此，如何降低生產成本、提高生產效率已成為了亟待解決的主要問題。

3 大型箱形結構梁制造技術研究

3.1 零件下料優化

后續生產時，總結前期生產經驗，掌握了各梁焊后變形量以及變形規律，結合廠內現有數控下料設備精度的提升，下料時采取預留下料切割收縮量，設置合理的切割順序，進行分段切割等措施，并借鑒近幾年其他產品中厚板外形及坡口下料成形的經驗，優化各零件下料方案為：除法蘭連接端面及內外腹板留有二次機加余量外，其余各件外形及坡口均足尺寸成形下料，不需要再進行機加工。各成形下料件下料后的板件直接轉運至裝焊工位進行裝焊。不僅大大減少了零件加工工作量，解放了大設備，而且省去了各零件轉運費用及轉運時間，大大縮短了零件生產周期[5]。

3.2 去銹涂漆工藝優化

原涂漆時考慮零件需加工外形及坡口，流轉周期長，不涂漆部位容易再次生銹，待焊部位未做防護要求。因此，零件整體噴漆后，在組焊及檢測前，需打磨去除焊縫兩側的油漆，不但焊接輔助工作量大，而且造成一定的浪費。

后續生產時，下料優化后，由于大多零件外形及坡口下料成形，零件流轉周期縮短。因此，工藝對各零件編制了專門的涂漆防護工藝，工藝中附圖標出待防護部位（見圖3），零件涂漆時按涂漆防護工藝要求對待焊部位進行了防護（見圖4）， 這樣裝焊時大大減少了焊前打磨工作量，減少了焊接輔助時間，大大提高了焊接效率，也在一定程度上避免了油漆的浪費。

圖3 涂漆防護工藝

圖4 涂漆防護實物

3.3 部件裝配優化

各箱形梁均由中厚板組焊而成，其內外腹板均較長較重，以往組裝點焊時，零件起吊后，全靠操作人員配合吊車一點一點移動工件，找正零件裝配位置。由于零件較重，所以需多人配合，零件裝配精度及效率低，且存在安全隱患。

后續生產時，優化零件裝點工藝，設計了零件組裝點焊可調節支撐工裝（見圖5），零件組裝點焊時采用支撐工裝支撐定位，提高了裝配精度及裝配效率。

圖5 可調節支撐工裝

3.4 部件焊接優化

以往生產時，圖樣中法蘭連接端面為雙面不等邊坡口，焊接時先焊接內側小坡口焊縫，再在外側大坡口處清根后焊接外側大坡口焊縫。經生產實踐發現，采用此種工藝方法，清根操作困難，清根工作量較大。再加上雙面坡口焊時，內側坡口處焊縫無法采用埋弧焊焊接，只能采用氣體保護焊焊接，焊接效率較低。

后續生產時，考慮近幾年廠內焊工操作水平的不斷提升，結合其他產品類似焊縫焊接的經驗。經與設計協商，優化法蘭周邊坡口，對法蘭周邊焊縫處坡口由原來的雙面不等邊改為單面坡口，坡口在外側，角度50°，鈍邊2mm。法蘭裝點時，留有一定的裝配間隙，焊接時直接從外側焊接，采用合適的焊接參數，單面焊雙面成形，背面無需再清根焊接。坡口優化后，一是在確保焊縫質量的前提下省去了清根工作量，二是焊縫均在外側進行焊接，大部分焊縫除打底外其余層均可采用埋弧焊進行焊接，提高了焊縫一次檢測合格率，不僅保證了法蘭處焊縫的質量，而且改善了焊接作業環境。

3.5 部件加工優化

（1）主梁加工方案優化 主梁為大型箱形結構梁中的較長較重件，長約28m，重約130t。整體組焊后需加工上平面、下平面及各法蘭面。加工時一般以上平面為基準面，且加工面需正對機床主軸。因此，加工流程一般為：加工上平面（法蘭朝下放置，上平面正對機床主軸）→加工法蘭面（上板朝下放置，法蘭面正對機床主軸，需將梁翻轉90°，再旋轉180°）→加工下平面（法蘭面朝下放置，下平面正對機床主軸，需將梁翻轉90°）。當工件旋轉180°時，由于主梁總重超出目前廠房內吊車的起吊載荷（100t），需兩部吊車同時起吊，因此無法在工房內進行旋轉，需要雇傭平板車將工件拉出工房，掉頭再拉回。雇傭平板車不僅費用高，而且耗時長。因此，加工時輔助時間較長，加工效率低。

主梁加工優化后工藝方案為：首先，裝焊時梁擺放方向法蘭面應遠離機床主軸，并在與法蘭相對的面上增焊基準板。加工時，加工流程為：加基準板（下板朝下放置，法蘭面遠離機床主軸，見圖6）→加上平面（法蘭朝上放置，上平面正對機床主軸，需將梁翻轉90°）→加工法蘭面（上板朝下放置，法蘭面正對機床主軸。需將梁翻轉90°）→加工下平面（法蘭面朝下放置，下平面正對機床主軸，需將梁翻轉90°）。優化加工流程后，工件在工房內翻轉即可，無需進行旋轉，不僅節約了生產成本，并且提高了生產效率。

圖6 基準板位置

（2）斜梁、短梁加工方案優化 為確保各梁裝配順利，斜梁及短梁法蘭面需進行配加工。原工藝方案為：裝焊后先上車加工，留少數余量后，轉總裝工房進行試裝，根據實際裝配情況標出剩余余量，再轉加工車間重新上車加工剩余部分。本方案不僅來回轉貨成本大，而且需兩次上車裝夾找正加工，占用大設備時間長，加工效率低，制約了加工進度。

優化后工藝方案為：主梁、橫梁裝配后，根據實際裝配情況精確測量斜梁及短梁裝配尺寸。斜梁及短梁裝焊后，直接根據測量的尺寸進行加工，無需來回轉貨，也無需二次上車加工，節約了轉貨成本，提高了加工效率。

（3）各梁法蘭孔位置優化 各梁中法蘭連接孔加工時，為確保螺栓裝配順利，孔背面需锪平。但前期加工時發現各梁每個法蘭上靠近焊縫的兩排孔锪平時，受焊縫余高干涉，需將焊縫余高加工掉，增加了加工工作量。

后續生產時，經分析產品裝配情況，在保證不影響裝配質量的前提下，與設計協商，將各法蘭上靠近焊縫的兩排孔向外平移6mm，增大了孔與焊縫間的距離，裝配時避免了焊縫干涉螺栓。這樣不需再去除焊縫余高，減少了加工工作量，提高了加工效率。

4 結束語

1）在大型箱形結構梁的生產過程中，通過零件下料優化及部件整體加工優化，大大減小了零件及部件的加工工作量，降低了加工成本，提高了加工效率。

2）通過部件裝配優化，提高了裝配效率及裝配精度。

3）通過涂漆工藝優化及部件焊接優化，大大減小了焊接輔助時間，減輕了焊接工作量，提高了焊接效率，確保了焊縫質量的穩定。

總之，在大型箱形結構梁的生產過程中，采用一系列的工藝優化方案后，在確保產品質量的前提下，生產成本降低了5%，生產效率提高了10%。