重载底座焊接工艺研究

吴春德 骆新营 高杨 申晨 李臣达 曹茂林

摘要：随着科技的进步，大型结构件的焊接已取得很大改善，但对于焊缝质量等级较高、结构复杂重型底座的焊接仍是一大难题，焊接缺陷依然伴随整个焊接过程，焊缝质量很难达到QJ176B-2016《地面设备熔焊技术条件》中Ⅰ级要求，长期负载使用存在安全隐患。针对这一难题，本文以某型号产品底座为例，从焊接方法选取、焊接过程控制、应力消除等几个方面着重分析研究，提出了一套能提高焊缝质量、减少焊接变形的工艺方法，使用后底座的焊接取得了显著成效，焊缝射线探伤Ⅰ级合格率达到90%。该工艺方法在重载底座的成功使用，为焊缝质量要求较高的大型框架类结构件的焊接提供借鉴。

关键词：重载底座;焊接缺陷;焊接变形

中图分类号：TG457.2      文献标志码：A         文章编号：1001-2003（2021）12-0071-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.14

0    前言

在航空航天领域中，底座作为一种常见的大型承载结构件，承载着数百吨甚至上千吨载荷，长期服役于恶劣环境，在交变动载的作用下，焊缝的抗疲劳强度高低直接决定着底座的使用寿命。底座均为大厚板组焊而成，焊缝质量等级按QJ176B-2016《地面设备熔焊技术条件》中Ⅰ级设计。在焊接过程中焊接应力及变形不可避免，焊件冷却后必然存在残余应力和应力集中，而这是降低焊接结构疲劳强度的主要因素。实际生产中重载底座多采用MAG焊，焊后经射线探伤，多处出现夹渣、气孔、微裂纹等缺陷，主要分布在焊缝两侧、根部、交叉焊缝处、层与层之间，无法达到Ⅰ级焊缝要求，多次返修，工作量巨大，严重阻碍产品的生产进度，且返修失败报废的也不少，损失严重。在降本增效的大环境下，必须做出改变[1-5]。

文中提出一套提高焊缝质量、減少焊接变形的工艺方法，使用后底座焊缝射线探伤Ⅰ级合格率可达90%，以期为同类产品的焊接提供经验。

1 底座材料及其结构分析

以某产品底座为例，结构如图1所示，该底座由上法兰、下法兰、侧板1、侧板2、侧斜板、外弧板组焊而成，材质均为低合金钢Q355B。其中上法兰及下法兰为110 mm厚的钢板，侧板1、侧板2及侧斜板为35 mm厚的钢板。底座涉及的主要接头有：法兰与周圈为T型角焊缝，焊脚尺寸20 mm，侧板、侧斜板、外弧板均为对接焊缝，坡口形式如图2所示，底座外侧、内腔均为坡口焊缝，各焊缝交叉部位存在多处死角，焊接时存在应力集中现象。

底座母材Q355B钢，其化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。

Q355B碳当量为0.40～0.55，综合性能良好，塑性和焊接性良好，但存在淬硬倾向，较厚钢板焊接时必须预热，避免产生焊接缺陷。

2 底座焊接存在的主要问题

（1）由于底座的各焊缝均为大坡口焊缝，只能采用多层多道焊接，填充金属多，采用MAG焊，工作量大，效率低。

（2）内腔焊接时产生空气对流，减弱了保护气体对熔池的保护，削弱了电弧稳定性，焊缝成形不理想，容易出现焊接缺陷。

（3）内腔焊接中出现磁偏吹现象，电弧不稳定，焊缝成形差。

（4）法兰厚度在100 mm以上，法兰与周圈为T型角焊缝，在较大温度梯度与Z向强制拘束共同作用下易产生层状撕裂。

（5）外弧板与上下法兰焊缝的焊接位置变化较大，底座体积、质量较大且形态不规则，很难将所有焊缝调整为平角焊，故焊接过程只能调整焊枪姿态，但频繁调整容易出现焊接缺陷。

（6）底座内腔空间有限，不宜采用埋弧焊接，而手工焊接焊工的活动范围、手法及焊枪姿态等均受到限制。

（7）交叉焊缝存在应力集中。

（8）返修时清理夹渣、缺陷困难。重复加热导致焊缝两端热影响区晶粒粗大，塑性、韧性下降。

3 焊接方法选取

目前，大型黑色金属结构件常用的焊接方法有埋弧焊、CO2气体保护焊、混合气体保护焊、焊条电弧焊等。埋弧焊侧重用于厚板大坡口、长焊缝、平焊和平角焊，具有电弧及焊缝质量稳定、焊接效率高等优点，是一种比较经济的焊接方法，在大型结构件焊接中备受青睐。CO2气体保护焊焊枪轻便、灵活，不受结构形状和场地限制，但受环境影响较大，抗风能力较差，焊接效率低于埋弧焊，主要应用于坡口较小、短焊缝的焊接。焊条电弧焊可达性较好，可实现全位置焊接，受环境影响较小，但焊接效率低，在生产中很少使用，在其他焊接均不理想的情况下被动使用。

由图1可知，底座外侧平直焊缝外露不受空间限制，平角焊焊接难度小，可充分发挥埋弧焊的优势，故采用埋弧焊。半圆弧角焊缝焊接位置多变，埋弧焊难以实现全位置焊接，可采用混合气体保护焊。底座内腔焊接过程中会产生空气对流，影响电弧稳定性，减弱保护气体对熔滴、熔池的保护，焊缝成形不理想，混合气体保护焊受限，可选择焊接效率稍低，但灵活性强、可达性好的焊条电弧焊，其采用药皮熔渣保护熔滴和熔池，受空气流动影响小于气体保护焊。

4 焊接工艺

底座均为Q355B厚板组焊而成，焊接过程有一定的淬硬倾向，为了避免产生层状撕裂和裂纹等缺陷，焊前采用中频感应式或中性火焰对坡口进行150～250 ℃局部预热。T型接头焊脚尺寸20 mm，均采用多层多道焊接，焊接顺序：先焊外侧圆周焊缝，再焊接外侧平直焊缝，最后焊内腔焊缝。底座口部焊前加工艺撑杆，以提高口部刚性、减小因刚性不足而产生的扭曲变形。所有焊缝两端加引弧板和熄弧板，起、熄焊缝长度不小于60 mm。

（1）埋弧焊工艺：焊丝采用H10Mn2，φ5 mm，焊剂采用HJ431，焊剂使用前需在300 ℃烤箱中烘干1.5 h，焊丝干伸长10～12 mm，在焊接结束时延迟熄弧时间2～3 s，避免产生弧坑及裂纹，焊接工艺参数见表3，焊接过程如图3、图4所示。

（2）MAG焊工艺：单纯使用CO2气体，飞溅较大，清渣工作量大，因此适当加入氩气提高电弧稳定性。选用φ（CO2）20%+φ（Ar）80%混合气体进行保护，气体流量为15～20 L/min，其他参数见表3。焊前注意清理焊缝两侧水分、油污、铁锈等，防止氢气孔的产生。焊接手法采用上坡焊，焊接过程需不断挑弧，增加熔深，电弧到焊缝两端应适当停留2～3 s，避免焊缝两端出现未熔合现象。焊完一道停止焊接，待焊缝缓冷，焊道温度略高于预热温度后再开始下一道焊接。进行下一层焊接前，需用钢丝刷清理飞溅和杂质。盖面焊时采用较大电压保证盖面焊缝熔宽，焊接过程如图5所示。

（3）焊条电弧焊工艺：采用直流焊机，碱性焊条E5015，φ3.2 mm，其他参数见表3，焊条使用前放置于保温箱烘干，烘干温度300～500 ℃。焊接前，内腔焊缝需碳弧气刨清根，清除焊接缺陷，并用角膜机去除积碳层。将焊机推力电流调整至最小可适当减少焊接过程中的磁偏吹现象。施焊过程尽量采用短弧焊接，焊条与熔池之间的距离控制在2～3 mm，便于清楚地观察熔池形态，及时发现过程缺陷。电弧在焊缝中间摆动稍快，坡口两边适当多停留1～2 s，确保焊缝成形为向下半圆弧形状，可有效防止坡口两边出现夹渣、未焊透、未熔合等现象。焊接过程如图6所示。

5 焊接残余拉应力的控制与消除

底座作为大型重载焊接结构，其焊接結构复杂，不仅存在较高的拉伸残余应力，且焊缝部分存在焊趾缺陷、接头应力集中，单一方法很难有效控制，需采用多种方法相结合，多步骤、多工序预防、控制，并贯穿整个焊接过程。首先焊前对焊缝两侧进行局部预热，预热温度150～250 ℃，以减小焊接接头的冷却速度，从而达到减小焊接应力的目的。每焊完一道焊缝，沿着焊缝进行锤击，释放焊接应力，锤击之后立即使用石棉布对焊缝进行保温，缓冷一段时间再进行下一道焊接。焊后处理：三轴交叉焊缝采用TIG焊进行重熔，即用TIG焊将焊趾重新熔化，清除可能存在的咬边、夹渣等缺陷，同时形成过渡均匀的重熔区，减少应力集中，改善焊接接头疲劳强度;其余焊缝则采用角磨机进行打磨，清除尖角，使焊缝圆滑过渡，避免尖角产生的应力集中。为了更大程度地消除残余应力，最后一道工序采用振动时效来消除焊接残余应力。通过焊前预热、焊接过程控制、焊后焊缝打磨、TIG重熔、振动时效等多种方法进行处理后，采用磁性法对底座焊缝进行残余应力测量，结果发现，残余应力明显降低，显著增强了焊缝抗疲劳能力，提高了底座寿命。

多次采用上述焊接方法及焊接工艺规程进行试验，焊后采用射线探伤和超声波探伤，对焊缝进行无损检测未发现裂纹，90%焊缝达到了QJ176B-2016《地面设备熔焊技术条件》的Ⅰ级要求，有效减少了返修次数，提高了焊缝质量，对焊缝的抗疲劳性有较大的改善。

6 结论

（1）大型重载底座结构复杂，长期重载服役，对焊缝质量要求很高，单一的焊接方法已无法保证底座的焊缝质量，返修工作量大且困难，返修多次重复加热，会导致热影响区晶粒粗大，塑性和韧性降低，脆性增大，后续在动载荷的作用下很容易发生脆性断裂。根据底座结构形式采用不同的焊接方法，合理的焊接规范可以更好地保证焊缝质量。

（2）焊缝正面焊完，背面清根，去除焊缝缺陷、夹杂后再进行背面焊缝焊接，可提高焊缝质量。

（3）焊接内腔过程中产生空气对流，影响电弧稳定性、对熔池防护不利，不宜采用混合气体保护焊。

（4）焊缝的抗疲劳性较差主要源于焊接内应力。可通过焊前预热、锤击焊道、打磨圆滑焊缝、振动时效等方法，分步多重控制消除焊接应力，最后达到基本消除残余应力的目的，提高焊缝的抗疲劳能力。

参考文献：

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