大型箱形结构梁制造技术研究

韩巧珍，王锐敏，骆新营，岳佳宏，孟璇，申晨，黄汝哲，秦国方，杨晓华

山西航天清华装备有限责任公司 山西长治 046012

1 序言

某产品的主承力结构件主要由10～12个大型箱形结构梁通过法兰连接而成。各箱形结构梁均为超大超重件，零件所用钢板厚度较大，焊缝数量多且长，焊接坡口大而深，90%以上焊缝为坡口焊，焊接和涂装工作量大；各箱形梁内外表面均需涂漆，由于各箱形梁均超大超重，所以无法组焊后整体去锈涂漆，只能在零件状态去锈涂漆后再组焊，而零件涂漆后组焊时待焊部位打磨清理量大，焊接辅助时间长；各梁中各零件坡口加工工作量大；组焊后梁整体加工量也大。总之，大型箱形梁在生产过程中，焊前清理、焊接过程以及加工等方面工作量均较大，整体生产成本高，生产效率低。

本文针对上述问题，对下料、焊接、加工等生产过程进行了工艺优化，降低了大型箱形结构梁的生产成本，提高了生产效率[1]。

2 大型箱形结构梁结构特点及主要存在问题

2.1 结构特点

大型箱形结构梁主要由内外腹板及上下盖板，隔板与加强板等组焊而成（见图1），钢板材质为Q355钢，板厚40mm、50mm，端面采用法兰连接。梁高为2200～2750mm，宽度为2500～3500mm，长度在10m以上，最长的达到28m 。

图1 大型箱形结构梁

工艺特点如下。

1）箱形梁内外表面均需喷涂底漆、中漆及面漆。

2）箱形梁组焊后，各焊缝质量均需满足Ⅱ级焊缝无损检测要求。

3）箱形梁中90%的焊缝为坡口焊缝，大多数零件需制坡口。

4）各梁组焊后，法兰面及上下连接面均需进行整体加工。

2.2 主要存在问题

前期生产时，大型箱形梁生产过程中主要存在以下问题。

（1）焊前打磨工作量大，焊接辅助时间长 由于箱形梁均超大超重，无法在组焊后整体去锈涂漆，因此需在各零件装配前进行去锈后涂底漆、中漆。但在各箱形梁组焊时需打磨去除待焊部位及两侧一定范围内的油漆等杂质。各焊缝检测前也需将焊缝两侧的油漆清理干净。而本身油漆打磨较困难，再加上大形箱形梁漆膜厚度较厚，底漆厚度为60～80mm，中间漆厚度为120～140mm，打磨更困难。

综上所述，零件涂漆后，部件组焊时焊前清理打磨工作量大，焊接辅助时间长，大大降低了焊接效率。

（2）箱形梁部件装配效率低，装配精度不稳定 大型箱形梁各零件均较大较重，部件装配时各零件吊装、找正摆放、装点等困难，需多人共同操作，占用时间长，装配效率低且装配精度不稳定，不仅制约了整体装配进度，而且产品整体质量稳定性差。

（3）箱形梁部件焊接效率低 各箱形梁之间通过法兰（见图2）进行连接。法兰周圈焊缝为主要受力焊缝，质量要求高，需进行100%超声波检测，满足Ⅱ级焊缝检测要求。前期生产时，法兰周圈焊缝为双面坡口焊缝，为确保焊缝质量，焊接时先焊接一面坡口焊缝，再在另一面采用碳弧气刨[2]清根后焊接。存在的主要问题：一是焊缝清根工作量大，焊接效率低；二是双面坡口焊缝，内侧焊缝无法采用埋弧焊[3]，只能采用气体保护焊[4]，而气体保护焊主要靠手工操作，焊接效率低，且焊缝质量不稳定。

图2 法兰示意

（4）零部件机加工工作量大，机加工效率低 前期生产时，考虑到各箱形梁坡口大，焊缝多且长，焊接填充量大，焊接变形及焊接收缩量等无其他类似产品可借鉴的经验。为保证图样焊接、加工制造精度要求，确保产品一次成功，结合当时厂内下料设备能力，原零件下料外形均留有余量，组焊前需进行机加工；各箱形梁部件中90%以上焊缝为坡口焊缝，大部分零件还需加工坡口。因此，各零件外形及坡口均需机加工，加工工作量大。而由于大型盒形梁中各零件均较大，加工均需占用大设备，且需在加工工位与装焊工位之间进行转货，因此转货专用费用及加工成本高。而且由于零件较多，加工周期长，装焊时需进行等待，制约了装焊进度，因此零件外形及坡口加工，制约了整个产品的生产进度。

各箱形梁组焊后需整体加工各法兰面及上下面，因此梁整体组焊后加工面较多（3～6个）。加工时加工面需正对机床主轴，因此加工过程中需多次对工件进行翻转加旋转，加工效率低。另外，为了确保装配顺利，部分梁需试装配后，再根据实际装配情况配加工，因此，需在加工与总装之间来回转货，转货成本高。而各梁均为超大超重件，目前只能在厂内WH250铣镗床上加工，该设备为厂内瓶颈大设备，箱形梁加工时工件旋转、来回转货均导致占用大设备时间长，不仅箱形梁加工效率低，也制约了其他产品的生产。

综上所述，对于大型箱形结构梁的生产，无论焊接还是加工方面都存在生产成本高、生产效率低的问题。因此，如何降低生产成本、提高生产效率已成为了亟待解决的主要问题。

3 大型箱形结构梁制造技术研究

3.1 零件下料优化

后续生产时，总结前期生产经验，掌握了各梁焊后变形量以及变形规律，结合厂内现有数控下料设备精度的提升，下料时采取预留下料切割收缩量，设置合理的切割顺序，进行分段切割等措施，并借鉴近几年其他产品中厚板外形及坡口下料成形的经验，优化各零件下料方案为：除法兰连接端面及内外腹板留有二次机加余量外，其余各件外形及坡口均足尺寸成形下料，不需要再进行机加工。各成形下料件下料后的板件直接转运至装焊工位进行装焊。不仅大大减少了零件加工工作量，解放了大设备，而且省去了各零件转运费用及转运时间，大大缩短了零件生产周期[5]。

3.2 去锈涂漆工艺优化

原涂漆时考虑零件需加工外形及坡口，流转周期长，不涂漆部位容易再次生锈，待焊部位未做防护要求。因此，零件整体喷漆后，在组焊及检测前，需打磨去除焊缝两侧的油漆，不但焊接辅助工作量大，而且造成一定的浪费。

后续生产时，下料优化后，由于大多零件外形及坡口下料成形，零件流转周期缩短。因此，工艺对各零件编制了专门的涂漆防护工艺，工艺中附图标出待防护部位（见图3），零件涂漆时按涂漆防护工艺要求对待焊部位进行了防护（见图4）， 这样装焊时大大减少了焊前打磨工作量，减少了焊接辅助时间，大大提高了焊接效率，也在一定程度上避免了油漆的浪费。

图3 涂漆防护工艺

图4 涂漆防护实物

3.3 部件装配优化

各箱形梁均由中厚板组焊而成，其内外腹板均较长较重，以往组装点焊时，零件起吊后，全靠操作人员配合吊车一点一点移动工件，找正零件装配位置。由于零件较重，所以需多人配合，零件装配精度及效率低，且存在安全隐患。

后续生产时，优化零件装点工艺，设计了零件组装点焊可调节支撑工装（见图5），零件组装点焊时采用支撑工装支撑定位，提高了装配精度及装配效率。

图5 可调节支撑工装

3.4 部件焊接优化

以往生产时，图样中法兰连接端面为双面不等边坡口，焊接时先焊接内侧小坡口焊缝，再在外侧大坡口处清根后焊接外侧大坡口焊缝。经生产实践发现，采用此种工艺方法，清根操作困难，清根工作量较大。再加上双面坡口焊时，内侧坡口处焊缝无法采用埋弧焊焊接，只能采用气体保护焊焊接，焊接效率较低。

后续生产时，考虑近几年厂内焊工操作水平的不断提升，结合其他产品类似焊缝焊接的经验。经与设计协商，优化法兰周边坡口，对法兰周边焊缝处坡口由原来的双面不等边改为单面坡口，坡口在外侧，角度50°，钝边2mm。法兰装点时，留有一定的装配间隙，焊接时直接从外侧焊接，采用合适的焊接参数，单面焊双面成形，背面无需再清根焊接。坡口优化后，一是在确保焊缝质量的前提下省去了清根工作量，二是焊缝均在外侧进行焊接，大部分焊缝除打底外其余层均可采用埋弧焊进行焊接，提高了焊缝一次检测合格率，不仅保证了法兰处焊缝的质量，而且改善了焊接作业环境。

3.5 部件加工优化

（1）主梁加工方案优化 主梁为大型箱形结构梁中的较长较重件，长约28m，重约130t。整体组焊后需加工上平面、下平面及各法兰面。加工时一般以上平面为基准面，且加工面需正对机床主轴。因此，加工流程一般为：加工上平面（法兰朝下放置，上平面正对机床主轴）→加工法兰面（上板朝下放置，法兰面正对机床主轴，需将梁翻转90°，再旋转180°）→加工下平面（法兰面朝下放置，下平面正对机床主轴，需将梁翻转90°）。当工件旋转180°时，由于主梁总重超出目前厂房内吊车的起吊载荷（100t），需两部吊车同时起吊，因此无法在工房内进行旋转，需要雇佣平板车将工件拉出工房，掉头再拉回。雇佣平板车不仅费用高，而且耗时长。因此，加工时辅助时间较长，加工效率低。

主梁加工优化后工艺方案为：首先，装焊时梁摆放方向法兰面应远离机床主轴，并在与法兰相对的面上增焊基准板。加工时，加工流程为：加基准板（下板朝下放置，法兰面远离机床主轴，见图6）→加上平面（法兰朝上放置，上平面正对机床主轴，需将梁翻转90°）→加工法兰面（上板朝下放置，法兰面正对机床主轴。需将梁翻转90°）→加工下平面（法兰面朝下放置，下平面正对机床主轴，需将梁翻转90°）。优化加工流程后，工件在工房内翻转即可，无需进行旋转，不仅节约了生产成本，并且提高了生产效率。

图6 基准板位置

（2）斜梁、短梁加工方案优化 为确保各梁装配顺利，斜梁及短梁法兰面需进行配加工。原工艺方案为：装焊后先上车加工，留少数余量后，转总装工房进行试装，根据实际装配情况标出剩余余量，再转加工车间重新上车加工剩余部分。本方案不仅来回转货成本大，而且需两次上车装夹找正加工，占用大设备时间长，加工效率低，制约了加工进度。

优化后工艺方案为：主梁、横梁装配后，根据实际装配情况精确测量斜梁及短梁装配尺寸。斜梁及短梁装焊后，直接根据测量的尺寸进行加工，无需来回转货，也无需二次上车加工，节约了转货成本，提高了加工效率。

（3）各梁法兰孔位置优化 各梁中法兰连接孔加工时，为确保螺栓装配顺利，孔背面需锪平。但前期加工时发现各梁每个法兰上靠近焊缝的两排孔锪平时，受焊缝余高干涉，需将焊缝余高加工掉，增加了加工工作量。

后续生产时，经分析产品装配情况，在保证不影响装配质量的前提下，与设计协商，将各法兰上靠近焊缝的两排孔向外平移6mm，增大了孔与焊缝间的距离，装配时避免了焊缝干涉螺栓。这样不需再去除焊缝余高，减少了加工工作量，提高了加工效率。

4 结束语

1）在大型箱形结构梁的生产过程中，通过零件下料优化及部件整体加工优化，大大减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）通过部件装配优化，提高了装配效率及装配精度。

3）通过涂漆工艺优化及部件焊接优化，大大减小了焊接辅助时间，减轻了焊接工作量，提高了焊接效率，确保了焊缝质量的稳定。

总之，在大型箱形结构梁的生产过程中，采用一系列的工艺优化方案后，在确保产品质量的前提下，生产成本降低了5%，生产效率提高了10%。