大噸位挖掘機(jī)引導(dǎo)輪焊接工藝研究

劉陽(yáng) 郝亮亮

摘要：大噸位挖掘機(jī)焊接式引導(dǎo)輪輪圈、輪轂材質(zhì)多為中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，碳當(dāng)量較大，焊接冷裂傾向大，且輪體為雙面焊接結(jié)構(gòu)，焊縫直徑大、焊層厚、焊接持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，易形成根部裂紋及夾渣缺陷。在焊接工藝試驗(yàn)基礎(chǔ)上，分析了缺陷產(chǎn)生的原因，采取了改進(jìn)措施，固化了焊接工藝規(guī)范，保證了產(chǎn)品焊接質(zhì)量，對(duì)后續(xù)大噸位挖掘機(jī)焊接式引導(dǎo)輪批量生產(chǎn)具有良好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：大噸位挖掘機(jī)引導(dǎo)輪；根部裂紋；夾渣；工藝規(guī)范

中圖分類號(hào)：TG442? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）12-0074-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.019

0? ? 引言

引導(dǎo)輪作為挖掘機(jī)底盤重要組成部分，主要用來引導(dǎo)履帶繞轉(zhuǎn)，防止其跑偏和越軌。焊接式結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)輪由腹板、輪圈及輪轂焊接而成，輪圈、輪轂鍛造成型，具有外觀質(zhì)量好、內(nèi)部無(wú)缺陷、化學(xué)成分穩(wěn)定、產(chǎn)品性能及熱處理一致性好、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已逐步替代傳統(tǒng)的鑄造式結(jié)構(gòu)輪體，配套使用于大噸位挖掘機(jī)上。根據(jù)引導(dǎo)輪使用技術(shù)質(zhì)量要求，其腹板多采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，焊接性良好，而輪圈、輪轂多采用中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的淬硬、淬透性，以提高耐磨性，但隨著材料碳含量的增加，其冷裂傾向增大，焊接性能變差，易產(chǎn)生裂紋等焊接缺陷，將嚴(yán)重降低輪體使用性能，影響整機(jī)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。目前，行業(yè)內(nèi)成熟的大噸位挖掘機(jī)引導(dǎo)輪焊接工藝較少，需開展相關(guān)焊接工藝研究，制定合理的焊接工藝規(guī)范，保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量的可靠性。

1? ? 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

大噸位挖掘機(jī)焊接式結(jié)構(gòu)引導(dǎo)輪輪圈、輪轂與腹板采用環(huán)焊縫連接，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，腹板材質(zhì)多為Q355等低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，輪圈與輪轂材質(zhì)多為35MnB等中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，輪體為雙面焊接結(jié)構(gòu)，焊接坡口為V型，內(nèi)圈焊縫直徑多為300～330 mm，外圈焊縫直徑多為780～800 mm，焊層厚度集中于25～30 mm。

2? ? 焊接難點(diǎn)

輪圈材料以35MnB為例，其化學(xué)成分見表1，依據(jù)碳當(dāng)量（CE）計(jì)算公式：

CE=w（C）+w（Mn）+w（Cr）+w（Mo）+

w（V）+w（Cu）+w（Ni）

式中：w（X）表示元素X在鋼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%），計(jì)算碳當(dāng)量時(shí)，應(yīng)取其成分的上限[1]。

計(jì)算得35MnB材料碳當(dāng)量約為0.71，可見其碳當(dāng)量較大，焊接熱影響區(qū)淬硬傾向高，冷裂傾向嚴(yán)重。輪體結(jié)構(gòu)剛性大，焊層多為6～8層、焊接運(yùn)行軌跡長(zhǎng)達(dá)40 m以上，多層焊接過程中焊縫根部尤其沿腹板與輪圈/輪轂搭接間隙處容易產(chǎn)生較大焊接應(yīng)力堆積，致使出現(xiàn)裂紋缺陷，且隨著焊層厚度增加，此現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重。傳統(tǒng)工藝采用焊前預(yù)熱來避免焊縫及熱影響區(qū)驟冷，降低焊接收縮應(yīng)力，焊后立即進(jìn)行回火處理，降低焊接殘余應(yīng)力，避免產(chǎn)生裂紋。但這些工藝措施在帶來生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本增加、效率降低和工作環(huán)境惡化等一系列問題的同時(shí)，也會(huì)增大焊接熱影響區(qū)軟化傾向[2]，降低焊接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及承載能力，結(jié)合大噸位焊接式引導(dǎo)輪體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實(shí)際生產(chǎn)工況，很難實(shí)現(xiàn)焊前預(yù)熱及焊后立即回火處理。

3? ? 焊接工藝

3.1? ? 焊前準(zhǔn)備

輪體焊接設(shè)備為自動(dòng)化MAG焊接專機(jī)，如圖2所示，可實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)化夾緊、翻轉(zhuǎn)及焊接，焊前應(yīng)確認(rèn)設(shè)備處于正常工作狀態(tài)，控制程序運(yùn)行流暢，內(nèi)撐卡爪、拼焊、翻轉(zhuǎn)等工裝夾具無(wú)變形及嚴(yán)重磨損，避免影響產(chǎn)品配合、定位精度。游標(biāo)卡尺、焊接檢驗(yàn)尺等計(jì)量器具應(yīng)檢定合格并處于檢定有效期內(nèi)，量程、精度及顯示準(zhǔn)確。焊接坡口表面不得有明顯割痕、裂紋及夾層等缺陷，焊前應(yīng)清除工件焊接坡口及兩側(cè)30～50 mm范圍內(nèi)油污、水漬、銹蝕等異物，避免焊接過程中產(chǎn)生氣孔、夾渣等焊接缺陷，降低焊縫強(qiáng)度。

為有效降低焊接殘余應(yīng)力，使焊縫金屬具有更高的塑性和斷裂韌性，降低輪體焊接冷裂敏感性，選用型號(hào)ER50-6、直徑？準(zhǔn)1.2 mm實(shí)心焊絲進(jìn)行焊接。焊接用保護(hù)氣體選用86%Ar+14%CO2，焊接電弧既有氬弧的電弧穩(wěn)定燃燒、飛濺小等特點(diǎn)，又具有氧化性，克服了純氬保護(hù)時(shí)的表面張力大、液體金屬黏稠、易咬邊等問題，也克服了大電流CO2焊飛濺大、焊縫粗糙等問題，改善焊縫外觀質(zhì)量，形成深圓弧狀熔深[3]。

3.2? ? 拼焊

利用專用十字式支撐工裝進(jìn)行輪體拼焊，如圖3所示，輪轂內(nèi)孔中心定位，輪圈落于支撐條上，定位銷頂緊輪圈踏面。檢查確認(rèn)焊接坡口組對(duì)間隙均勻一致后，采用型號(hào)ER50-6、直徑？準(zhǔn)1.2 mm實(shí)心焊絲，在下層腹板-輪轂搭接處、上層腹板-輪轂組對(duì)坡口內(nèi)對(duì)稱均勻點(diǎn)焊4～6處焊縫，在下層腹板-輪圈搭接處、上層腹板-輪圈組對(duì)坡口內(nèi)對(duì)稱均勻點(diǎn)焊6～8處焊縫，每段點(diǎn)焊縫長(zhǎng)度為20～30 mm，如圖4所示。定位點(diǎn)焊縫應(yīng)在坡口內(nèi)引弧，不允許在兩側(cè)母材等非焊接區(qū)域引弧，點(diǎn)焊縫表面不得有氣孔、焊瘤、夾渣、飛濺及裂紋等焊接缺陷。

3.3? ? 焊接工藝試驗(yàn)

利用某大噸位挖掘機(jī)焊接式引導(dǎo)輪開展相關(guān)焊接工藝試驗(yàn)，焊接工藝參數(shù)設(shè)置如表2所示。

焊接過程中，采用對(duì)稱跳焊焊接方式，單面內(nèi)、外圈環(huán)焊縫單次焊接不超過兩層，以減少輪體局部熱輸入不均帶來的焊接變形及焊接應(yīng)力，焊接順序如圖5所示。

3.4? ? 試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果

3.4.1? ? 焊縫外觀質(zhì)量

進(jìn)行焊縫外觀質(zhì)量檢驗(yàn)，焊縫余高1～1.5 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。焊縫與母材平滑過渡，熔合良好，波紋均勻一致，表面無(wú)氣孔、夾渣、凸起及裂紋等焊接缺陷。

3.4.2? ? 磁粉檢驗(yàn)

進(jìn)行焊縫磁粉檢驗(yàn)，表面無(wú)裂紋等焊接缺陷。

3.4.3? ? 超聲波檢驗(yàn)

進(jìn)行焊縫超聲波檢驗(yàn)，焊縫內(nèi)部有較多點(diǎn)狀缺陷，深度不一，缺陷部位經(jīng)剖切驗(yàn)證為夾渣。

3.4.4? ? 剖切檢驗(yàn)

進(jìn)行焊縫剖切檢驗(yàn)，沿腹板與輪圈/輪轂搭接處產(chǎn)生裂紋并沿熔合線邊緣向母材擴(kuò)展，如圖6所示。

3.5? ? 缺陷產(chǎn)生原因分析及改進(jìn)措施

3.5.1? ? 裂紋缺陷

1）原因分析：（1）輪圈、輪轂自身碳當(dāng)量大，焊接冷裂紋傾向較大，多層焊接過程中，腹板與輪圈/輪轂搭接處產(chǎn)生較大應(yīng)力集中；（2）打底焊層熔敷金屬厚度薄，焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力超過根部焊縫熔敷金屬/熱影響區(qū)金屬裂紋抗拉強(qiáng)度極限值，產(chǎn)生裂紋并沿熔合線邊緣向焊縫及母材擴(kuò)展。

2）改進(jìn)措施：如表3所示，增大打底焊層焊接電流、電壓，第1層電流區(qū)間選用310～320 A，電壓33～34 V，保護(hù)氣體流量調(diào)整為22～25 L/min，保證焊縫根部熔深，增大焊層厚度，提高打底焊層抗裂能力。第2、3、4層采用小規(guī)范電流、電壓焊接，以減小焊接應(yīng)力，降低腹板與輪轂/輪圈搭接間隙與焊縫交接處應(yīng)力集中，避免沿焊縫/熱影響區(qū)開裂。電流區(qū)間選用240～260 A，電壓28～30 V，保護(hù)氣體流量控制為18～22 L/min。第5、6層維持原焊接電流、電壓不變。整個(gè)焊接過程中，填充、蓋面焊層厚度控制為2～3 mm，減小局部焊接熱輸入不均帶來的焊接應(yīng)力。

3.5.2? ? 夾渣缺陷

1）原因分析：（1）導(dǎo)電嘴出絲孔在長(zhǎng)時(shí)間焊接過程中（120 t引導(dǎo)輪焊接時(shí)間長(zhǎng)達(dá)180 min）磨損嚴(yán)重，致使焊絲出絲接觸不良，電流、電壓波動(dòng)大，產(chǎn)生較大焊接飛濺，殘存在焊縫中，且焊接飛濺增大會(huì)導(dǎo)致焊槍噴嘴飛濺粘附大，氣體保護(hù)效果變差，形成夾渣；（2）輪體焊層多、焊接時(shí)間長(zhǎng)，隨著焊接層數(shù)增加，焊道表面氧化皮堆積愈發(fā)嚴(yán)重，部分氧化皮在下層焊道焊接時(shí)熔化，熔池冷卻時(shí)來不及浮出，殘留在焊縫中形成夾渣。

2）改進(jìn)措施：原鉻鎬銅材質(zhì)導(dǎo)電嘴更換為鎢銅材質(zhì)導(dǎo)電嘴，如圖7所示，提高導(dǎo)電嘴出絲口耐磨性，導(dǎo)電嘴使用壽命提高至2～3倍，并在工藝規(guī)范中明確焊接3～4層焊縫更換導(dǎo)電嘴，避免因出絲孔磨損嚴(yán)重導(dǎo)致的大顆粒飛濺造成焊縫夾渣。焊前及焊接過程中每間隔兩層焊縫清除焊槍噴嘴內(nèi)壁粘附飛濺并噴涂焊槍防飛濺噴霧，用壓縮空氣清除前層焊道表面的氧化皮等雜質(zhì)，減少氧化皮堆積，降低焊縫夾渣。

4? ? 焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)

進(jìn)行上述工藝改進(jìn)后，再次進(jìn)行引導(dǎo)輪焊接工藝試驗(yàn)并對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如下：

4.1? ? 焊縫外觀質(zhì)量

焊后進(jìn)行焊縫外觀質(zhì)量檢驗(yàn)，焊縫余高1～1.5 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。焊縫與母材平滑過渡，熔合良好，波紋均勻一致，表面無(wú)氣孔、夾渣、凸起及裂紋等焊接缺陷，如圖8所示。

4.2? ? 磁粉檢驗(yàn)

焊后輪體焊縫進(jìn)行磁粉檢驗(yàn)，表面無(wú)裂紋等焊接缺陷。

4.3? ? 超聲波檢驗(yàn)

焊后輪體焊縫進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)，點(diǎn)狀缺陷明顯降低，達(dá)到GB/T 11345—2013《焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)BIII級(jí)檢驗(yàn)要求。

4.4? ? 剖切檢驗(yàn)

焊后進(jìn)行焊縫剖切檢驗(yàn)，剖切結(jié)果如圖9所示，可見輪圈-腹板、輪轂-腹板環(huán)焊縫熔合良好，內(nèi)部無(wú)氣孔、夾渣、未熔合、裂紋等焊接缺陷，焊縫根部熔深滿足設(shè)計(jì)≥1.5 mm要求。

5? ? 結(jié)論

上述工藝方案焊接過程穩(wěn)定，焊縫成形美觀，表面及內(nèi)部無(wú)缺陷，焊縫根部熔深滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期效果，可滿足大噸位挖掘機(jī)焊接式結(jié)構(gòu)引導(dǎo)輪焊接生產(chǎn)質(zhì)量要求，為后續(xù)同類型產(chǎn)品生產(chǎn)及批量切換提供了焊接經(jīng)驗(yàn)及工藝數(shù)據(jù)支撐。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 高殿寶，谷文，呂曉春，等.HQ785T1鋼不預(yù)熱焊接技術(shù)研究[J].機(jī)械制造文摘（焊接分冊(cè)），2011（3）：32-33.

[3] 李隆駿，古朋贊，洪君華.不同氣體及熔滴過渡方式對(duì)氣體保護(hù)焊熔敷金屬的影響[J].電焊機(jī)，2017，47（8）：124-126.

收稿日期：2024-03-07

作者簡(jiǎn)介：劉陽(yáng)（1983—），男，江蘇徐州人，助理工程師，主要從事工程機(jī)械履帶底盤產(chǎn)品研發(fā)、技術(shù)研究、技改規(guī)劃實(shí)施及質(zhì)量管理工作。