工程機械行業(yè)是國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)之一，挖掘機行業(yè)是工程機械行業(yè)的主要組成部分，近年來(lái)國家經(jīng)濟的發(fā)展給挖掘機制造提供了很大的發(fā)展空間，產(chǎn)品的品種、產(chǎn)量均有大幅度提高。挖掘機被廣泛應用于公路、橋梁、建筑、養殖池等工程的施工。挖掘機械一般由動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、行走裝置和工作裝置組成。挖掘機主要部件如上車(chē)平臺、履帶架、動(dòng)臂、斗桿、挖掘機挖斗均采用焊接結構。隨著(zhù)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，先進(jìn)焊接技術(shù)的應用日益廣泛，焊接結構在挖掘機結構中占的比重越來(lái)越大，其中有板材的焊接件，也有鑄造件、鍛造件和板材的混合焊接件。無(wú)論從焊接零件的數量還是按零部件的重量計算，焊接結構件所占的比例一般都在65%以上，可見(jiàn)焊接工藝在挖掘機整機生產(chǎn)過(guò)程中所占有的重要地位。

本人從2005年進(jìn)入挖掘機生產(chǎn)行業(yè)開(kāi)始，先后就現代系列挖掘機和特雷克斯系列小挖的結構件焊接工藝結合生產(chǎn)實(shí)際作了大量基礎性研究，對下料方法、折彎要求、工裝制作及定位、點(diǎn)焊及反變形設計、焊接規范參數、焊接順序、校形等技術(shù)取得了初步經(jīng)驗，積累了必要的數據。

本文即對挖掘機重要結構件焊接制作工藝過(guò)程研究所取得的主要經(jīng)驗進(jìn)行的總結。

1-1、挖掘機結構件用材料及其焊接性

目前挖掘機焊接結構件所采用的鋼材大部分為低合金鋼，其中Q345(16Mn)的應用最廣泛，其它還包括國產(chǎn)的Q235、Q295、HQ60、HQ100等日本產(chǎn)SS400、SM490等，美國T-1，德國STE690。下表是Q345的化學(xué)成分及力學(xué)特性：

表1. Q345的化學(xué)成分及力學(xué)特性

鋼的焊接性是指鋼對焊接加工的適應性，即在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)良焊接接頭的難易程度（工藝焊接性），以及材料在施工條件下，焊接成按規定要求設計的構件，并滿(mǎn)足預先服役要求的能力（使用焊接性）[1]。焊接性受母材、焊接方法、構件類(lèi)型及使用要求四個(gè)方面因素的影響。工藝焊接性是指材料經(jīng)焊接加工后形成完整焊接接頭的能力，通常以材料對形成諸如裂紋、氣孔等焊接缺陷敏感性的大小，以及所采取的工藝措施的復雜程度來(lái)比較工藝焊接性的優(yōu)劣。使用焊接性是指材料經(jīng)焊接加工所形成的焊接接頭能滿(mǎn)足產(chǎn)品制造技術(shù)條件及安全服役要求的程度，結構及其所采用的材料不同，具體要求和指標也不同。

1-1-1、焊接冷裂紋

由于裂紋是最危險的焊接缺陷，生產(chǎn)中常常把焊接裂紋作為重要的考核項目，對低合金鋼而言，熱影響區淬硬傾向大的鋼因急冷易產(chǎn)生焊接冷裂紋，嚴重降低接頭的塑形。決定這類(lèi)鋼的熱影響區淬硬性的主要因素之一是碳當量CE。碳當量CE計算公式為：

CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15[2]

經(jīng)驗表明，當CE＜0.4時(shí)，鋼材的淬硬傾向不大，焊接性?xún)?yōu)良，焊接時(shí)不預熱；當CE=0.4%～0.6%時(shí)，鋼材的淬硬傾向增大，焊接時(shí)要采取預熱，控制焊接工藝參數、緩冷或消除擴散氫等工藝措施；當CE＞0.6%時(shí)，鋼材的淬硬傾向強，屬于難焊的鋼材，需要采取較高的余熱溫度和嚴格的工藝措施。挖掘機主體用鋼Q345的碳當量計算過(guò)程為：CE=0.02+1.6/6+0.15/5=0.32＜0.4，故挖掘機主體結構部分焊接性較好，焊接冷裂紋敏感性小，無(wú)需采取預熱和緩冷等工藝措施。

1-1-2、沖擊韌性

母材和焊接區如有如有足夠的強度、塑形和缺口韌性，則表明焊接結構具有可靠的使用性能。對低溫下服役的挖掘機焊接結構件，其V型缺口沖擊值的下限值要達到所規定的溫度韌性保證值，以防止結構在載荷下的脆性破毀。特雷克斯系列挖掘機結構件主體材料Q345D的焊接接頭沖擊試驗值如下表：

表2.Q345D鋼焊接接頭沖擊韌性

焊接區特別是焊接過(guò)熱區的的沖擊韌性，由于熱輸入影響會(huì )使其下降。因此在焊接過(guò)程中應合理選擇規范，盡量控制合理的焊接熱輸入。

1-2、挖掘機結構件焊接材料、工藝方法及裝備

1-2-1、焊接材料選擇

挖掘機結構件焊接材料的選擇要根據結構材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、焊接工藝性、使用工況、焊接件的形狀復雜程度及剛性、現場(chǎng)焊接設備和環(huán)境等因素綜合考慮。具體的原則如下幾方面：

（1）等強或低強度匹配原則，一般按照挖掘機結構件用鋼的強度來(lái)選擇相應強度等級的焊接材料，有時(shí)對受力情況復雜的焊接結構，也選用比母材強度等級低一級的焊接材料。

（2）選用低氫焊接材料，為了改善挖掘機結構件焊接接頭的抗冷裂性能，要求采用低氫焊接材料，即焊條電弧焊采用低氫型焊條，二氧化碳氣體保護焊焊絲要選擇擴散氫含量低的焊絲，一般來(lái)說(shuō)藥芯焊絲的擴散氫含量高于實(shí)芯焊絲，所以?xún)?yōu)先考慮使用實(shí)芯焊絲。

（3）工作條件和使用性能，低溫溫工況使用的選用低溫用鋼焊接材料，受振動(dòng)載荷和沖擊載荷的要選用強度、塑性、韌性高的焊接材料。

（4）操作工藝性，根據焊縫空間位置選用適合平焊、立焊、仰焊以及全位置焊接材料[3]。

1-2-2、工藝方法及裝備

選擇焊接方法應兼顧焊接制造質(zhì)量和生產(chǎn)效率，目前挖掘機結構件焊接普遍采用二氧化碳氣體保護焊，采用自動(dòng)或半自動(dòng)二氧化碳氣體保護焊工藝的占70%以上，有些結構件焊接生產(chǎn)為了提高效率還采用焊接專(zhuān)機、焊接機器人，目前大量焊接機器人工作站用于斗桿、鏟斗、動(dòng)臂以及履帶架的焊接。

2、挖掘機結構件焊接變形控制

挖掘機主要結構件都是箱型結構，使用鋼板厚度大部分在4～40mm之間，板厚規格跨度非常大，相應所采用的焊接工藝參數變化范圍較大，導致焊接熱出入及焊接熱溫度場(chǎng)的不均勻。因而如果在焊接過(guò)程中控制不當，焊接變形會(huì )很大，嚴重挖掘機結構件的加工質(zhì)量以及整機的裝配性。

2-1、焊接變形的主要形式及產(chǎn)生原因

挖掘機結構件的焊縫主要設計形式為對接焊縫和角焊縫，焊接變形主要為角變形、收縮變形，此外還有扭曲變形。

從宏觀(guān)上來(lái)講，在焊接材料及焊接方法一定的情況下，挖掘機結構件產(chǎn)生焊接變形的主要原因有：

（1）結構型式設計不當，焊接時(shí)容易發(fā)生變形；

（2）焊接接頭的型式、焊縫布置不合理；

（3）控制焊接變形的工藝方法應用不當。

結構件焊接變形的根本原因是所產(chǎn)生的焊接殘余應力的不均勻性，造成應力不均勻的原應主要是焊接過(guò)程中在構件區域內存在不均勻的溫度場(chǎng)。因此，控制焊接變形就必須控制焊接應力。通常來(lái)講，在焊接方法一定的情況下可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，一是將構件固定，阻止其變形，然后經(jīng)過(guò)拋丸、整體熱處理等后續工藝處理方法使應力釋放；二是使結構件不受拘束而自由收縮，使釋放應力后的工件尺寸達到設計要求。

挖掘機結構件的焊接變形，會(huì )影響生產(chǎn)工藝流程的正常進(jìn)行，使結構件的外形尺寸和尺寸精度嚴重超差，焊后矯正焊接變形，使生產(chǎn)成本增加，還會(huì )增加機加工、裝配等后續工序的難度，并且焊接變形還會(huì )降低結構的承載能力，會(huì )造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩定等諸多不良后果。因此，根據焊接變形的不同形式，去控制和消除挖掘機結構件的焊接變形十分重要。

2-2、控制焊接變形的方法

控制焊接變形的方法很多，各種方法的具體應用要根據工件的結構形式、鋼板厚度、焊接方法等具體情況決定。通過(guò)實(shí)踐證明，對挖掘機結構件而言，主要從控制焊接變形的工藝方法入手，通過(guò)以下控制焊接變形方法的應用或幾種方法綜合應用可以有效的控制結構件的焊接變形。

2-2-1、反變形法

    以動(dòng)臂為例進(jìn)行說(shuō)明，根據生產(chǎn)中已經(jīng)發(fā)生的變形規律，預先把焊件人為地加工產(chǎn)生一個(gè)變形，使這個(gè)變形與焊后發(fā)生的變形方向相反而數值相等，這種方法稱(chēng)反變形法。挖掘機結構件中的動(dòng)臂和斗桿均屬于細長(cháng)形結構件，焊接變形主要是焊縫縱向收縮引起的。通過(guò)對焊接生產(chǎn)中焊接變形的變形量大小的計算以及生產(chǎn)過(guò)程中現場(chǎng)驗證，確定合適的反變形量，使焊接后的變形量正好與反變形量抵消，達到產(chǎn)品的設計要求。對于理論計算焊縫縱向收縮量的大小可以參考以下計算公式：

△   L=（k1×FH×L）/F[4]

式中：△L—縱向收縮量，mm

k1—變形系數，與焊接方法及母材材料有關(guān)，其數值可由表1查��；

FH—焊接截面面積，mm2；

L—結構長(cháng)度，mm；

F—構件截面積，mm2。

表3焊接結構件的變形系數值

根據以上公式計算現代11噸挖掘機動(dòng)臂的焊接收縮量如下：

△   L=（k1×FH×L）/F

△   L=（0.043×128×3700）/6400

△   L=3.182

因此，在焊接點(diǎn)裝過(guò)程中，在工裝定位動(dòng)臂前后兩端的定位點(diǎn)間距要人為放大約3mm。然后對放大長(cháng)度的動(dòng)臂進(jìn)行施焊，焊后尺寸L的公差在1mm左右，完全滿(mǎn)足了焊接件后續機加工的要求。

2-2-2、剛性固定法

焊接前將易變形的工件加以固定來(lái)限制和減小焊接變形的方法稱(chēng)為剛性固定法。特別是對結構形式復雜，焊縫設計不對稱(chēng)得構件，焊縫主要集中在工件的一側時(shí)剛性固定法可以很好地控制焊接變形。常見(jiàn)的方式是點(diǎn)焊拉筋，使用剛性軸，工裝剛性制約以及依靠工件背對背互相制約變形的方法，都可以達到控制焊接變形的目的。

使用剛性固定法來(lái)控制焊接變形量現在已經(jīng)普遍應用于挖掘機實(shí)際生產(chǎn)中，并取得了良好效果。

2-2-3、制定合理的焊接順序

焊接件的焊接順序會(huì )給結構件焊接變形帶來(lái)較大的影響，所以要針對不同的結構形式制定合理的焊接順序。合理的焊接順序會(huì )使焊縫自由收縮，故要焊接收縮大的焊縫以及工作時(shí)受力大的焊縫。以下是制定合理焊接順序的原則：

（1）對稱(chēng)焊縫盡量采用對稱(chēng)焊接；

（2）不對稱(chēng)的焊縫先焊接短而小、焊縫少的一側；

（3）對于長(cháng)焊縫采取分段退焊法、中間分段退焊法、跳焊法以及交替焊法。

但是也要根據結構實(shí)際狀況采取相應措施。以下是挖掘機履帶架的焊接順序：

由于焊縫呈對稱(chēng)分布，故采用對成焊接：

上：F-RH→S-R-RH→F-LH→S-R-LH→R-LH→S-F-LH→R-RH→S-F-RH

下：R-RH→S-F-LH→R-LH→S-R-LH→F-LH→S-R-RH→F-RH→S-F-RH

2-2-4、多層多道焊接工藝次序和方向

多層多道焊可以提高焊縫金屬的質(zhì)量，特別是塑性，這是因為后層焊縫對前層焊縫具有熱處理的作用，相當于對前層焊縫進(jìn)行了一次正火處理，因而改善了二次組織采用多層多道焊可以有效減少熱輸入，從而有效減小了熱變形量。而多層多到漢時(shí)正確的焊接次序及方向可以抵消焊接結構整體產(chǎn)生的應力及應變。在動(dòng)臂箱體焊接過(guò)程中，多層多道焊接次序為：1→2→3→4→5→6→7→8→9→10→11→12

3、結論

結構件是挖掘機的骨架，挖掘機結構件的焊接質(zhì)量直接決定挖掘機整機的裝配性能和使用性能，以及挖掘機在服役期間發(fā)生故障的幾率。挖掘機生產(chǎn)企業(yè)在采用先進(jìn)設備手段的同時(shí)努力從在焊接工藝方面來(lái)提高結構件的質(zhì)量。本文是對本人在5年工作中對挖掘機結構件工藝的人實(shí)際研究經(jīng)驗的總結，概括起來(lái)有以下幾點(diǎn)：

（1）挖掘機結構件使用材料的強度等級、鋼材的碳當量CE較低，材料的焊接性良好；

（2）挖掘機結構件焊接材料選擇遵循等強或低強度匹配，盡量采用工藝性好的材料；

（3）焊接變形對挖掘機結構件質(zhì)量影響很大，可以通過(guò)剛性固定法、反變形法、制定合理焊接順序及采用多層多道焊接來(lái)有效控制焊接變形，保證結構件質(zhì)量，提高挖掘機整機的可靠性及使用壽命。

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