0引言

引導(dǎo)輪作為挖掘機底盤重要組成部分,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,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,將嚴重降低輪體使用性能,影響整機設(shè)備運行穩(wěn)定性。目前,行業(yè)內(nèi)成熟的大噸位挖掘機引導(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

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

式中:w(X)表示元素X在鋼中的質(zhì)量分數(shù)(%),計算碳當量時,應(yīng)取其成分的上限^[1]。

計算得35MnB材料碳當量約為0.71,可見其碳當量較大,焊接熱影響區(qū)淬硬傾向高,冷裂傾向嚴重。輪體結(jié)構(gòu)剛性大,焊層多為6~8層、焊接運行軌跡長達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,也會增大焊接熱影響區(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)特點及實際生產(chǎn)工況,很難實現(xiàn)焊前預(yù)熱及焊后立即回火處理。

3焊接工藝

3.1焊前準備

輪體焊接設(shè)備為自動化MAG焊接專機,如圖2所示,可實現(xiàn)工件自動化夾緊、翻轉(zhuǎn)及焊接,焊前應(yīng)確認設(shè)備處于正常工作狀態(tài),控制程序運行流暢,內(nèi)撐卡爪、拼焊、翻轉(zhuǎn)等工裝夾具無變形及嚴重磨損,避免影響產(chǎn)品配合、定位精度。游標卡尺、焊接檢驗尺等計量器具應(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ER50—6、直徑φ1.2 mm實心焊絲進行焊接。焊接用保護氣體選用86%Ar十14%CO2,焊接電弧既有氬弧的電弧穩(wěn)定燃燒、飛濺小等特點,又具有氧化性,克服了純氬保護時的表面張力大、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。檢查確認焊接坡口組對間隙均勻一致后,采用型號ER50—6、直徑φ1.2 mm實心焊絲,在下層腹板—輪轂搭接處、上層腹板—輪轂組對坡口內(nèi)對稱均勻點焊4~6處焊縫,在下層腹板—輪圈搭接處、上層腹板—輪圈組對坡口內(nèi)對稱均勻點焊6~8處 焊縫,每段點焊縫長度為20~30 mm,如圖4所示。定位點焊縫應(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

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

焊接過程中,采用對稱跳焊焊接方式,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 試驗檢驗結(jié)果

3.4.1焊縫外觀質(zhì)量

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

3.4.2磁粉檢驗

進行焊縫磁粉檢驗,表面無裂紋等焊接缺陷。

3.4.3超聲波檢驗

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

3.4.4剖切檢驗

進行焊縫剖切檢驗,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展,如圖6所示。

3.5缺陷產(chǎn)生原因分析及改進措施

3.5.1裂紋缺陷

1)原因分析:(1)輪圈、輪轂自身碳當量大,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)金屬裂紋抗拉強度極限值,產(chǎn)生裂紋并沿熔合線邊緣向焊縫及母材擴展。

2)改進措施: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。整個焊接過程中,填充、蓋面焊層厚度控制為2~3mm,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)電嘴出絲孔在長時間焊接過程中(120 t引導(dǎo)輪焊接時間長達180 min)磨損嚴重,致使焊絲出絲接觸不良,電流、電壓波動大,產(chǎn)生較大焊接飛濺,殘存在焊縫中,且焊接飛濺增大會導(dǎo)致焊槍噴嘴飛濺粘附大,氣體保護效果變差,形成夾渣; (2)輪體焊層多、焊接時間長,隨著焊接層數(shù)增加,焊道表面氧化皮堆積愈發(fā)嚴重,部分氧化皮在下層焊道焊接時熔化,熔池冷卻時來不及浮出,殘留在焊縫中形成夾渣。

2)改進措施: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

進行上述工藝改進后,再次進行引導(dǎo)輪焊接工藝試驗并對焊縫質(zhì)量進行檢驗,結(jié)果如下:

4.1焊縫外觀質(zhì)量

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

4.2磁粉檢驗

焊后輪體焊縫進行磁粉檢驗,表面無裂紋等焊接缺陷。

4.3超聲波檢驗

焊后輪體焊縫進行超聲波檢驗,點狀缺陷明顯降低,達到GB/T11345—2013《焊縫無損檢測超聲檢測 技術(shù)、檢測等級和評定》標準BIII級檢驗要求。

4.4剖切檢驗

焊后進行焊縫剖切檢驗,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≥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)部無缺陷,焊縫根部熔深滿足設(shè)計要求,達到了預(yù)期效果,可滿足大噸位挖掘機焊接式結(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)驗及工藝數(shù)據(jù)支撐。

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2024年第12期第19篇