浅谈斗轮挖掘机斗轮体焊接工艺方法及变形控制

浅谈斗轮挖掘机斗轮体焊接工艺方法及变形控制

李臣光 张晓辉 王月 李振杰

(一重集团天津重工有限公司，天津 300000)

摘要：本文根据斗轮体的结构特点，分析了其在制造过程中存在的问题，经研究制定了行之有效的斗轮体焊接工艺方法及变形控制措施，保证了斗轮体的产品质量，降低生产成本，并为后续类似产品的制造提供指导依据。

关键词：斗轮挖掘机；工艺参数；焊接方法；变形控制

斗轮挖掘机因其挖掘效率高、作业范围广而被应用于软矿或中等硬度的大型露天矿山开采中，主要用于土壤剥离、矿料采掘、矿料搬运及装载作业等。其工作原理是位于设备前端的斗轮体旋转带动铲斗对矿料进行切削挖掘，该切削作业以受料臂架回转和斗轮体旋转的复合运动轨迹实现，然后矿料经过斗轮体旋转提升后在斗轮体顶部区域降落至输送皮带机上，再经过受料臂架及排料臂架的回转，运送到指定地点[1]。斗轮体作为斗轮挖掘机中完成挖掘、提升和卸料等一系列复杂动作的核心执行部件，其受力情况复杂，工况恶劣，该部件主要由钢板拼焊后经机械加工制作而成，它的焊接质量及成形尺寸将直接影响最终产品的使用寿命，因此，研究斗轮体焊接工艺方法及变形控制至关重要。

1 斗轮体焊接制作时存在的问题

斗轮挖掘机各部件的设计结构及相互之间的装配关系较以往同类产品变得更加复杂，配合间隙变得更小，尤其是作为核心部件的斗轮体（见图1）。

图1 斗轮体模型示意图

斗轮体外轮廓直径在5000～10000mm之间，主要由外围圆形框架及心部锥段装焊而成，如图1所示。为减轻产品整体重量，圆形框架的上下主体法兰设计成由板厚分别为30～50mm的弧形板各18块拼焊而成，而心部的锥段则由板厚为25～60mm的扇形板拼焊而成。根据图纸要求，框架主体法兰之间的距离以及锥段母线方向的直线度均要求焊后控制在±1mm以内，对于这种圆锥结构并且存在大量拼接焊缝的产品来说很难满足要求。

斗轮体中所有熔透焊缝均需100%超声波探伤，这就要求每道焊缝在焊接时都进行清根处理，而这样会大大增加焊接变形量。

考虑斗轮挖掘机的工况，此次在设计时其材质选择Q460E低合金高强度结构钢（化学成分见表1），其不仅具有较高的强度，还具有一定的韧性、抗低温冲击性、抗疲劳性等。

根据相关资料，当钢中的碳当量小于等于0.4%时具有良好的焊接性；当钢中的碳当量处于0.4%~0.6%之间时，其焊接性逐渐变差[2]。

由计算公式：

可求得Q460E低合金高强度结构钢的碳当量为0.54%，说明其焊接性较差。

2 斗轮体焊接制造工艺及变形控制

针对斗轮体焊接难度大，变形难以控制等难点，在生产制造过程中从下料、曲型、装配、焊接等方面进行研究，采取措施以保证最终产品满足图纸要求。

2.1下料

各零件按照放样图纸进行气割下料，下料后打磨飞边、毛刺以及曲型件的边缘以防止曲型时产生裂纹。薄板焊接坡口图纸要求为K形，但实际焊接气刨清根时容易将开始满焊一侧清漏，经分析讨论后将坡口改为单V形。另外对于像外围框架主体法兰、心部锥段等大量拼接的零件，下料时在拼接缝处预留2mm补偿量。

2.2曲型

把控单件尺寸的准确性是管控产品质量的源头，单件尺寸超差将会造成焊接件尺寸与图纸严重不符，如果通过在装焊时调整装配间隙保证相关尺寸，则会增加焊接量，造成变形和收缩量增大。斗轮体心部的锥段均由扇形板曲型后拼焊而成，因此，曲型尺寸的准确性对于控制锥段的焊后尺寸至关重要。在此次生产中，特制作立体检验样板，检验扇形板曲型后的尺寸，确保各个尺寸均满足图纸要求。

2.3装配

根据斗轮体的结构特点，将其化整为零，采用分段装焊，最后整体总装的方式制作，生产过程中，边装边焊交叉作业，既能保证生产效率，又能达到减小焊接应力，控制焊接变形的目的。

（1）铺设平台及划线

装配前将6块平台联接在一起，并超平作为斗轮体的装焊平台。将外围圆形框架主体法兰、心部锥段及法兰的地样线划在平台上。

（2）外围框架制作

根据平台上的地样线准确放置外围圆形框架主体法兰的各扇形段，调整好接料焊缝的对接间隙，将其在直径方向放量28mm以补偿焊后收缩，在接料焊缝两端装焊弧形工艺卡板，并将卡板对应焊缝的位置气刨出斜面作为引弧板和息弧板使用，以保证焊缝质量。

上下两个主体法兰焊完校平后进行组立，通过在二者之间安装圆管工艺支撑来保证其档距满足图纸要求，同时装焊中间各筋板及外圆弧弯板，最后装焊侧圆环板及内圆弧弯板。在两侧主体法兰上安装米字形槽钢支撑减小外围框架在直径方向的收缩，同时为保证焊接质量，将其固定在变位器上焊接，保证所有焊缝几乎都处于平焊位。

（3）心部锥段制作

心部锥段同样采用分体装焊的方式，分为两部分，外圈大锥段单独装焊，中间两个小锥段一起装焊，最后在合龙时与外围框架及中心法兰一起总装。

在平台上划出每个锥段的地样线，依据图纸拼装每个锥段的各部分，调整好接料焊缝的对接间隙，在直径方向做好放量，以补偿焊后收缩，每道焊缝在坡口侧装焊2个门型卡板，内部安装米字形槽钢支撑减小直径方向的收缩。

此外为保证外圈大锥段安装耐磨板侧在母线方向的直线度焊后控制在±1mm以内，焊前在该侧装点防变形筋板，整体热处理后去除。

（4）总装

外围框架与心部2个锥段单件分别焊完校正后进行总装。此时绝大部分焊接工作已经完成，且单件均经过校正检验，保证单件尺寸符合图纸要求，只剩余总装时的合龙环焊缝，前期各部件的工艺放量完全可以抵消由于应力造成的焊接收缩，整体尺寸得以保证。

2.4焊接

斗轮体中几乎所有焊缝均要求100%超声波探伤，焊缝质量要求高，清根量大，增加焊接变形。正式焊接前通过对各类型焊缝进行焊接工艺评定，得出了保证焊缝性能的工艺参数。此次选用的焊材为E81T1-Ni1C药芯焊丝，规格Φ1.6mm（见表2）。

为防止焊接过程中热输入量过大，焊接时采用小电流快速焊接的方式施焊，直流反接，保护气体为100% CO2，焊接参数如表3所示。

焊接时严格执行工艺，控制电流、电压及焊接速度，采用多层多道焊接，减少热输入量，降低焊接变形量，从而改善焊缝组织及性能[3]。

焊前用烤枪对焊接部位进行预热，焊接过程中注意控制层间温度，必要时在背面设置火焰加热，焊后缓冷，防止由于焊接应力过大导致产生裂纹。

焊接外围圆形框架主体法兰、外圆弧弯板、内圆弧弯板以及心部锥段等成轴对称分布的焊缝时采用对称分段退焊的方式，控制焊接变形[4]。对于单条环形长焊缝，为控制焊接变形，预留少量空当不焊，待经过热处理释放焊接应力后再补焊。此外，对于封闭腔也要预留少量空当不焊，待热处理后再补焊，防止封闭腔由于气体受热膨胀产生变形。

在外围圆形框架主体法兰、心部锥段及法兰等部件焊接时，为防止变形增设大量工艺支撑及卡板。焊接时注意焊接顺序，当板厚≤30mm时，先将卡板侧焊满再翻转背面清根焊接；当板厚＞30mm时，先将卡板侧焊2/3，,然后翻转背面清根焊接2/3，再翻转焊满正面，最后翻转焊满背面。

焊接时，在条件允许的情况下，将斗轮体固定在变位器上焊接，保证所有焊缝几乎都处于平焊位，保证焊接质量。

2.5效果检验

本文根据斗轮体的结构特点，仔细分析研究了其焊接工艺方法及变形控制措施，并采用上述装焊顺序及工艺参数完成了斗轮体的制造，现对其效果进行检验如下：

（1）焊缝无损检测一次交检合格率高达98%，仅在局部存在少量气孔、夹渣、咬边等缺陷。

（2） 外围圆形框架主体法兰之间的距离以及锥段母线方向的直线度均控制在±1mm以内。

（3）外圈大锥段小口圆度满足图纸±3mm要求。

3 总结

通过对斗轮体的结构特点进行分析研究，合理规划装焊顺序，设置焊接工艺参数，加装工艺支撑，并严格跟踪、把控各工序制造过程，极大地减少了焊接缺陷，有效控制了焊接变形，保证了斗轮体的产品质量，降低生产成本，并为后续类似产品的制造提供指导依据。

参考文献：

[1] 齐善朋. 斗轮挖掘机履带底盘有限元结构分析[J]. 农业装备技术,2022,48(5):39-41.

[2] 李亚江. 焊接冶金学——材料焊接性 [M]. 北京: 机械工业出版社, 2006, 52~56.

[3] 施洪慧. 焊接热输入量对E36高强度钢接头金相组织及机械性能的影响 [J]. 船舶标准化工程师, 2014(3):51-53.

[4] 宋娓娓, 汪洪峰, 汪建利, 等. 焊接顺序对焊接变形的影响分析 [J]. 焊接技术, 2015, 44(7):76-78.