起重机主梁腹板焊接波浪变形控制

2015-04-23安存胜聂福全

金属加工(热加工) 2015年16期

安存胜聂福全

1. 问题提出

工业起重机主梁一般为长条箱形梁结构，箱型梁截面如图1所示，主要由上盖板、下盖板、两侧腹板组焊而成，材料一般为Q235A。在两侧腹板焊接时，由于腹板材料板厚较薄，多数为8~10mm，且结构类型属于典型的“长条”形结构，长度一般为18.5~31.5m，所以主梁在制作时，采用的是先在盖板上划线，再将腹板按所划线焊接在上盖板上，然后翻转梁盒将腹板和下盖板焊接在一起。

由于腹板较长较薄的结构特性，故此种方式制作主梁时腹板和上盖板不易对正，不能保证腹板和上盖板的准确贴合，焊接质量不好，而腹板和上盖板焊接后引起的焊接变形，也使腹板和下盖板对正更加困难，从而造成腹板波浪变形比较大。腹板波浪变形较大时，一是容易造成产品外观质量较差，二是容易造成箱型梁的力学性能发生变化，严重影响起重机主梁的强度、刚度和稳定性，因此需要在焊接过程中应量避免。

图1 主梁剖面结构

2. 变形原因分析

腹板焊接时造成波浪变形较大的主要原因：一是腹板材料板厚较薄，属于典型的“长条”形结构，在焊接过程中受焊接应力影响产生变形；二是焊接工艺和焊接参数不当需要改进，以减小焊接变形；三是焊接过程缺乏必要的定位及反变形工艺装备，容易造成焊接变形无规律可循，变形难以控制；四是组焊过程中由于各零件下料过程中存在一定误差，组焊定位靠划线保证，组焊时零件贴合不准，焊接收缩变形较大，也容易造成腹板焊接时“波浪度”较大。

3. 采取的措施

（1）材料的优化在腹板材料选择上，一些企业往往使用钢板卷开平板，由于卷板在开平过程中会在材料内部形成较大的应力，即使后期采用抛丸处理，卷板开平后的应力也难以彻底消除，所以该焊接应力非常容易在腹板焊接过程中释放出来，从而引起腹板焊接变形，形成较大的“波浪度”。因此，为控制腹板焊接变形量，应采用“中板”代替开平板，同时中板在使用前应在自然环境下放置一段时间，充分消除钢板在轧制过程中的应力，尽可能减少板材应力对焊接变形的影响。此外在主梁设计结构上应进行充分优化，以综合力学性能较好的Q345B材料代替传统的Q235A材料。由于上述两种材料碳当量基本相当，焊接工艺性能接近，所以对焊接工艺的影响不大。但由于Q345B材料自身力学性能较好、抗变形、抗挠度、能力较强，因此在焊接时应力变形较小，从而降低腹板“波浪度”焊接变形倾向。同时通过使用Q345B材料，在设计上也可以减小零件尺寸结构，从而实现对等使用条件下的起重机械轻量化设计和“低净空”效果，从而起到多重优化效果。

（2）焊接工艺优化腹板与上下盖板焊接属于典型的直通长焊缝形式，主要为“上下左右”四道长焊缝，一次焊接量大、焊接热量大；同时由于主梁结构尺寸较大，不宜通过工件翻转实现“对称焊接”工艺，因而腹板焊接变形的产生几率就高。

为解决上述问题，可采用先手工焊的方式将腹板与上下盖板点焊固定，然后再采用多层多道焊工艺，为保证生产效率，在点焊固定后，腹板在不开坡口焊接时，一道角焊缝直接达到焊脚尺寸；腹板开坡口焊接时，第一次打底填充，第二次一道盖面角焊缝应直接达到焊脚尺寸（大小一般为6mm或8mm），焊接参数如附表所示。焊接装备采用半自动埋弧焊方式，采用低电压、小电流、慢焊速的参数，焊接过程中不断使用锤击的方法降低焊接应力，焊接完成后，立即采用振动时效进行二次应力消除。

（3）设计组焊接工装为确保板面贴合在焊接过程中，为确保工件之间的相互“贴合”，消除由于组对误差形成的间隙对焊接变形的影响，在腹板焊接过程中可使用如图2所示的龙门式主梁组焊机。该焊机为自行式，液压夹紧机构，使用时将主梁放置在工装龙门架中间，两边液压推杆将腹板固定在主梁合适位置并固定，然后实施定位焊，将腹板固定在主梁上。为提高使用效果，可在主梁焊接时在主梁两端同时使用该工装，通过工装两头配合使用，可充分消除焊接“间隙”，提高焊接效率和质量。

（4）采用增加定位块设计结构代替划线定位，确保板材定位准确为提高腹板与其他零件焊接前的组对精度，消除采用划线组对工艺的缺陷，可采用如图3所示的方法，在腹板焊接前增加定位工艺板的方式来提高组对精度，即将上工艺板（垂直边向外）和上盖板焊接在一起，下工艺板以45°角和下盖板焊接在一起，然后将腹板紧贴上工艺板与上盖板焊接在一起，最后翻转梁盒，利用下工艺板的倾斜角使下工艺板滑入腹板内。通过工艺定位板实现了各零件板材的准确定位，然后将下盖板和腹板定位焊连接在一起，这样不仅有效消除划线定位的种种缺陷，而且在焊接过程中还能起到较好的防位移作用，实现盖板和腹板的准确连接，减小腹板波浪变形。