工程机械用厚钢板焊接技术分析

摘 要：本文以工程机械用厚钢板为载体，对其焊接工艺进行了完整全面的分析研究。主要对焊接前的热处理工艺、厚钢板的焊接结构、焊接工艺和焊接后的残余应力消除等方面进行了研究，并给出了相应的技术对策。本论文对于相关技术人员学习研究提供了有益的参考。

关键词：厚钢板，焊接，工程机械，技术分析

引言

随着我国大型基础建设的高速发展，对应需要的大型工程机械也越来越多，对大型工程机械设计研制过程中的厚钢板、大型管件和轴类件的焊接性能都提出了极为苛刻的要求，特别是厚钢板的焊接要求更为严格[1-3]。厚钢板是大多数大型工程机械的最基本的组成部分，是大型工程机械的主要构件，工程机械厚钢板的有效焊接对整机的使用寿命和使用性能有着至关重要的影响，同时高质量的厚钢板焊接也能保证工程机械在后续的施工作业中对恶劣环境表现出较好的适应能力。与其它薄钢板或杆管类零件的焊接不同，厚钢板的焊接过程中使用的焊条熔融量非常大，同时焊接过程中输入的热量也非常高，由于钢板较厚所以难以实现自由焊接，这些难点都会造成焊接过程中或焊接后的厚钢板产生裂缝[2-6]。因此对厚钢板的焊接技术进行研究，对保证焊接质量具有重要的意义。

1、焊接前的预热处理工艺

厚钢板在焊接前一般放置在空气中，温度一般为几十度，而焊接过程中产生的温度可高达千余度，焊接结束后由于温度的急剧下降非常容易造成硬度较大的马氏体晶格产生，这样相当于淬火的过程，当焊接厚钢板内部的应力集中达到一定值后就会产生裂缝。避免内部应力集中导致裂缝的发生，较好的措施是焊接前对厚钢板预热一段时间。对于预热的温度要求极为严格，如果预热温度合适，可以减少厚钢板焊缝的应变率，最终可大大降低裂缝的产生概率。如果厚钢板的预热温度过高，不仅使焊接的环境更加恶劣，同时由于局部加热导致了内部应力的产生，最终导致后续焊接中裂缝的发生。在焊接过程中不仅要考虑预热温度，同时要求对环境温度、钢材材质、钢材厚度等因素都做全面考虑评估。一般的厚钢板预热按照以下要求进行：厚钢板的硬度越高，需预热的温度越高；焊接过程中焊浆冷却的速度比较快，需预热的温度则相对较高；对于普通碳素结构钢，如果厚度大于五十毫米，则预热温度基本控制在七十到一百摄氏度。如果钢材为低合金结构钢，厚度在三十六毫米以上，则预热温度基本控制在八十到一百二十摄氏度。焊缝的焊接自由度和可操控性能較低时，需要预热的温度越高。

2、厚钢板焊接结构的优化设计

厚钢板焊接过程中，非常容易产生较大的焊接构件变形，避免焊接构件变形的一个有效方法是对焊接结构进行优化设计。具体一般按照以下几个方向进行：

（1）优化设计焊缝的长度和焊缝的数量。在厚钢板焊接设计过程中，焊缝的长度不能设计过长，如果能够满足基本的焊接要求，推荐使用多条短缝焊接替代长缝焊接的技术，这样能够最大程度地降低钢材焊接过程中的构件变形量。在短焊缝的数量方面也尽量不要过多，过多的焊接缝会使焊浆热量过大而使厚钢板产生较大的应力集中，最终使钢材产生变形。

（2）降低焊缝截面处的面积。在实际焊接过程中，采用对接焊缝工艺的厚钢板受力分布比采用角焊缝工艺的厚钢板更加均匀。所以对接焊缝一般为我们的优选策略。对于结构比较复杂的厚钢板，必须采用角焊接工艺时，我们要尽量降低焊接截面的面积和尺寸。对于不同厚度的钢板焊接，我们要求将坡口加工在厚度较小的钢板上，这样可以控制焊浆的量，同时也可以最大限度地减少厚钢板的变形量。

（3）厚钢板构件的焊缝形态尽量采用对称结构设计。在厚钢板焊接过程中由于焊缝周边钢材的快速加热和快速冷却，导致钢材内部产生应力集中和应变。当焊缝和焊接结构保持对称时，钢材内部的应变和应力就会相互平衡，最终焊接成型的工程机械基本不会产生变形量。

（4）避免重复焊接或重叠焊缝的产生。在焊接过程中，如果焊缝产生重叠，那么焊浆的发热区域就会产生交叉，在厚钢板反复受热的过程中，其内部的晶体颗粒组织发生变化，最终导致焊接部位及附近钢材的抗拉强度和屈服强度变低，影响整台工程机械的强度。所以我们在焊接的过程中要尽量将不同的焊缝错开，按照设计要求，相邻两条焊缝的距离不能低于一百四十毫米。

3、焊接工艺优化分析

（1）严格控制夹持厚钢板的夹具工装的尺寸数量级别，确保高精度。夹具工装的高精度对于确保厚钢板焊接质量与焊接精准度至关重要。在对大型厚钢板的焊接过程中，主要有两个参数需要精准控制，一个是纵轴与横轴方向的尺寸精准度，另一个是两块钢板在对角线方向的精准度。在一般的焊接设计要求中，纵轴与横轴方向的尺寸精准度要控制在千分之三的范围以内。对于放置厚钢板的平台的平整度也要控制在规定的精度范围内，特别要注意考虑夹具工装夹紧后产生的平台平整度变化量。否则会产生较大的偏差，一般情况下，平台的平整度偏差在四个毫米以内时满足设计要求的。

（2）对于厚钢板焊接过程中的焊接顺序、工艺参数进行优化。如果需要焊接的钢板焊缝过大，此时需要采用直径较大的焊条进行焊接，焊接过程中的电流不能过大，焊接的线速度可以适当提高，采用多条焊道多层组合焊接的方式进行，全面控制变形产生。对于焊接顺序优化方面精准合理控制也可大大降低焊接产生的变形，在焊接前需要对焊接可能产生的变形和方向进行分析研究、制定最优方案。在焊接设计中，我们一般要求首先对变形量较大的钢材进行焊接，最后对变形量小的钢材进行焊接。

（3）厚钢板形状矫正技术。厚钢板形状矫正技术是焊接过程中的较为重要的工序流程，对于厚度大于三十毫米的钢材，常用的且表有效的矫正技术是高温火焰喷射矫正和机械力矫正。同时根据不同零件的变形量不同，可以进行多次、少量的重复矫正，直至达到设计精度和技术要求。

4、焊接残余应力消除分析

厚钢板焊接后其内部的残余应力不可避免，其表现形式为拉应力或压应力，是裂纹产生的主要原因，所以有必要对厚钢板内部残余应力进行消除。当期已有的处理方法有热处理去除残余应力、振动法去除残余应力和自然去除法。其中自然去除法耗时较长且效果不够明显，目前应用还不够广泛。振动法去除残余应力的设备简单、易操作、成本低、效果好，目前应用较多。热处理法应用效果最好，但对于大型工程机械，由于其零件过大难以实现均匀加热。所以具体选用何种方法消除残余应具体问题具体分析。

参考文献：

[1]李冬玲，张勇，鹿锋华.激光诱导击穿光谱法对焊接接头表面渗铜区铜元素的深度分布分析[J].冶金分析，2015，35（01）：19-25.

[2]秦国梁，孟祥萌，付邦龙，杨成营，肖国栋.薄壁不锈钢管列置双TIG电弧高速焊接工艺[J].机械工程学报，2015，51（12）：83-88.

[3]马然，董皕喆，吴世凯，杨武雄，肖荣诗.薄板钛合金光纤激光-钨极惰性气体保护焊电弧复合焊接工艺研究[J].中国激光，2014，41（05）：85-92.

[4]陈浩，王霄，刘会霞，李品，黄创，赵振关，严长.数值模拟驱动的激光透射焊接PET与304L不锈钢的优化研究[J].中国激光，2014，41（04）：91-99.

[5]赵琳，塚本进，荒金吾郎，张岩，田志凌.大功率光纤激光焊接过程中工艺参数对熔深和气孔的影响[J].中国激光，2013，40（11）：104-108.

[6]俞照辉，严红革，管正刚，尹绪雨，李颖.激光焊接工艺参数对高强镁合金焊缝成形及裂纹倾向的影响[J].中国有色金属学报，2013，23（06）：1479-1488.

作者简介：

杨震（1990年出生），性别男，汉族，江苏徐州人。目前就职于徐工集团道路机械事业部，助理工程师职称，本科学历。主要从事工程机械结构件等焊接工艺研究