攻克箱形梁焊接变形难题

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一、引言

    在电厂锅炉钢结构中经常设计有箱形结构。特别是蒸汽量为1025吨级锅炉钢结构中箱形梁结构很多，一台锅炉约有箱形结构梁柱350根。按一年制作三台此类锅炉钢结构计算，一年生产的箱形梁在1000根以上。     箱形梁的角焊缝焊接通常采用船形位置焊接，主要是船形位置焊接工艺成熟，焊缝成形美观。而国内目前将两条主角焊缝按同一规范用细丝斜角焊接方案的很少采用。主要是考虑斜角焊焊缝的成形不如船形焊焊缝成形美观。     船形角焊焊接工艺方案，四条焊缝分四次焊接完成。容易产生扭曲变形。一旦产生扭曲变形，现有设备难以矫正，需用火焰经多次矫正，矫正成本很高，甚至于矫正不过来造成产品报废。     为此，对箱形梁的焊接变形难题有必要探索新的思路，创新焊接工艺。如果将两条主角焊缝按同一规范斜角焊一次焊接完成，产生的焊接变形可以互相抵消，可以一定程度消除焊接变形的产生。我们要做的就是通过设备改造，试验新的斜角焊工艺，将箱形梁的焊接变形消除在焊接过程中。从而彻底解决箱形梁的焊接变形问题。       二、研究实验内容     1、 设备资源     系统构成：门架式带双埋弧焊机及相关配套设施。     硬件选型：无锡华联焊割设备公司成套门架型自动埋弧焊机的行走及控制系统。其中两台自动埋弧焊机为美国原装林肯MZ8-2*1000埋弧焊机。     场地条件：6000*18000场地装置行走轨道，轨道上装设门式行走系统及相关控制、回收系统，车间钢立柱上架设压风系统、供电系统、控制电缆系统。     2、主要研究内容及关键技术：     ①以设备作保障，利用门式埋弧焊机双机头采用对称平行焊接以互相抵消单道焊缝产生的焊接变形。对焊机机头送丝机构加以改动，使之可用于实际焊接操作。     ②对于角焊缝斜角埋弧焊工艺，先用工艺试板试验，获得可行的细丝斜角埋弧焊工艺参数。     ③考虑较细的焊丝（φ3或φ2）不太常用,利用现有的最细的φ4焊丝,经试验找到合适的焊接规范。       三、焊接工艺试验     1、焊材选用     焊丝 H08MnA φ4mm　     焊剂 HJ431     2、焊接工艺参数

 

电流 （A） 电压 （V） 送丝速度 （m/h） 焊接速度 （m/h） 焊缝尺寸及 成形 变形情况 580 32 80 25 焊脚尺寸不够咬边严重 变形很小 620 34 82 22 焊脚尺寸够咬边严重 变形很小 650 36 85 25 焊脚尺寸够焊缝侧偏 变形较小 680 38 87 28 焊脚尺寸够 焊缝侧偏严重 变形较大 640 34 82 26 焊脚尺寸够焊缝小许侧偏 变形小 640 36 84 26 焊脚尺寸够焊缝成形好 变形很小

 

      四、工艺流程     1、工艺流程比     改进前工艺流程     下料——手工箱型拼装——角焊缝埋船形焊——旁弯火焰热矫正——扭曲火焰热矫正——齐头——孔划线——打孔——组焊——涂装——入库     改进后工艺流程     平板——自动下料——手工箱型拼装——角焊缝埋弧斜角焊——检验——编程数控打孔——组焊——涂装——入库     2、制作流程     2.1 材 料     （1）主材     以前材料堆放零乱，没有进行分类，既没有专人保管，又没有明显标志，用料时花很多人工和机械台板查找所需材料。现在所有进厂材料均应有生产厂家的材质证明书，并经审核合格后方可入库，需做复验的，应按相应要求复验合格后，方可投料使用。所有材料均应分类摆放，专人保管，标记明晰，避免了因马虎而用错材料。专料专用，严禁私自代用，这样就不仅能节约材料，而且能方便成本核算，做到材料零库存。钢材入库前应进行100%的外观检查,不符合立即要求的退货，避免进一步的损失。     （2）焊接材料     以前焊接材料保管不妥，浪费严重。现在所有焊材由专职管理人员管理，并分配使用，对产品所使用的焊接材料牌号、数量进行核对后，方可发放。焊材应具有牌号、规格、数量、批号和检验编号等齐备的资料。存入焊接材料的库房须保持干燥和良好的通风环境。焊材的摆放应按牌号、规格分类，且标识明显。焊条的烘焙应严格执行其烘焙技术要求。焊条烘焙后，应放入保温筒，随用随取，保温筒温度宜控制在110℃左右。严禁使用药皮剥落、变质的焊条及严重锈蚀的焊丝，影响焊缝质量。     （3） 其他材料 高强度螺栓须符合设计要求。涂料的牌号、品种、颜色须符合用户的要求。涂料应存放于干燥、遮阳、避雨的固定场所，环境温度控制在0-40℃之间，并编号分类。     2.2 放样、下料     (1)材料的矫正     为了提高金属结构件的精度，放样划线前须对变形的钢板，型钢进行矫正，合格后方可进行划线作业。钢板矫正用平板机，型钢矫正用型钢矫正机。确保钢板的平面度和型钢的直线度，提高构件联接接面的接触比例。     (2) 所有在本工程中使用的量具均须经过计量合格方可使用，不得用不合格的量具，控制构件的尺寸误差。     (3) 放样前首先熟悉、核对图纸尺寸，计算无误后，由富有经验的工人承担划线工作。     (4) 切割前应将钢材表面的油污、铁锈等清除干净。切割断面不得有撕裂、分层及大于1mm的铁棱，并应清除干净熔渣，毛刺等。气割产生的钢渣、氧化铁、熔瘤等用打磨机磨平。     (5) 下料方法比较：

 

  以前工具 现在工具 板条 半自动火焰切割机 九头自动火焰切割机 隔板 手工火焰割刀/剪板机 数控火焰切割机

 

    板条：以前用半自动火焰切割机，速度慢且因单边受热板条容易变形，需要进行矫正；现在用九头自动火焰切割机，速度快且受热板平均板条不容易变形，不需要进行矫正。     节点板：以前用手工火焰割刀或剪板机，效率低劳动强度大工作环境差，材料损耗大：现在用数控火焰切割机通过编程，自动套料，不仅提高工作效率而且提高材料的利用率。     型钢： 以前用手工火焰切割机，要靠工人切割的技术来保证，切割面需用磨光机进行打磨，既工作效率低又提高成本。用带锯以后，不仅提高工作效率，且切割面光滑，不需打磨。     2.3 箱形梁组装     （1）隔板下料尺寸复核     隔板尺寸精确度是保证箱形梁组装质量的关键。隔板的垂直度直接影响组装的箱形梁的旁弯、扭曲度。所以在组装前需对隔板的垂直度等制作公差预以复核，使达到设计要求。     （2）箱形梁组装     ①在上翼板上弹出腹板与其接合线的腊线。并弹出隔板与翼板的接合线。     ②将隔板与翼板装组装好。     ③再将腹板与翼板组装好。     ④检查隔板的装配质量。     ⑤焊接隔板与腹板及翼板的连接焊缝。     ⑥覆盖下翼板，组装成形。     2.4 箱形梁组装主角焊缝焊接     ①两条主角焊缝同时焊接，焊枪倾向翼板侧，即与翼板成30度左右。焊接第第一遍。     ②焊枪倾向腹侧，即与腹板成30度左右。焊接第第二遍。     2.5 箱形梁制孔     提高钢结构的质量关键是提高构件的穿孔率，提高穿孔率的关键是提高打孔精度，提高打孔精度就要用数控加工代替落后的钻模钻孔。节点板钻孔加工以前利用普通钻床和钻模配合完成；现在节点板钻孔利用数控平面钻床完成。     数控钻床制孔的主要优点及保证加工精度措施：     1、不需制作大量的钻模板，节约材料和减少工作量，缩短前期准备时间。     2、没有划线工序，没有置放夹紧钻模板工作，直接在电脑里编程。避免了划线误差及装夹误差。     3、液压自动装夹，打四面孔群时不需构件翻身。用钻模打孔打一面翻一次身，放一次钻模，重新找基准装夹。     4、只有一个基准，没有重新找基准带来的误差。     5、打孔精度高，打孔速度快。用钻模打孔在摇臂钻床操作，不能保证打孔精度，且效率底下。     2.6 箱形梁组装连接板     装配前首先检查各部件的记号，尺寸，材质得以确认后，再检查部件的切断面和加工面是否有不良的地方，检查完毕后，按照装配顺序，整理好部件。装配前应认真熟悉图纸，了解各零部件间的位置关系、连接型式、用途及定位基准等相关数据，并应校核装配尺寸是否有误。装配工作一律在经检查合格的拼装平台上进行，并必须准备好必要的工装夹具，以确保装配质量。使用工装夹具以防止焊接时的变形，注意留出焊接所产生的收缩量，使得拼装焊接后的产品形状和尺寸达到制作图的要求。组装前应对连接处及两侧各50mm范围内的铁锈油污、溶渣、毛刺等清除干净。对于H型钢的组对，视板厚情况，组对前应先将盖板进行机械或火焰方法的予变形处理。H型钢组对采用自动流水线作业进行。     2.7 箱形梁焊接     1、焊接的一般事项 参与本工程的所有焊工须持证上岗。焊接技术员必须具备相应的资格证书，并且能够对工程的焊接工作全面地计划、管理和进行技术指导。     施焊前首先清除干净焊缝区两侧各50mm范围内的油污、铁锈等，直至露出金属光泽。拼装焊缝及主贴角焊缝须设置与母材同材质、同厚度、同坡口形式的引、熄弧板。不得在非焊缝区的母材上引弧起焊，由引弧产生的裂纹或表面缺陷要修磨清除缺陷，并进行MT。焊接完毕，焊工应除去引弧板，并及时清除焊缝表面的熔渣及两侧的飞溅。     2、焊接作业 选择合适的焊接顺序使得构件的变形和残留应力等被控制在最小的状态。焊接时，尽量采用水平姿势焊，以避免仰焊。埋弧自动焊时采用平位置或船形位置。焊接H型钢，主焊缝采用埋弧自动焊。节点板角焊缝采用CO₂气体保护焊或手工电弧焊。     2.3 箱形梁最终检验     1、检验设备及其校准     所有的检测设备及工具均应校准合格，并做出标准保证完好。各种检测设备及量具均应按相关标准检测、核准并在有效期内。     2、工序检查     对划线工使用的钢材是否与发料单和配料单相符；检查材料移植标记是否正确。对加工部分的划线、精切、刨边、板材对接焊、坡口尺寸、制孔等工序的质量进行专检，经专检的检查人员确认合格签字后方可进行下道工序生产。检查装配尺寸是否符合施工图纸要求和施工工艺规程，不符合的不得施工和进入下道工序。检查焊工上岗合格证；检查高强度螺栓摩擦面处理是否符合设计要求。     3、产品检查     对所有成品构件的几何尺寸，包括构件的长、宽、高、垂直度、中心偏差、倾斜度和筋板、托架的位置以及表面的质量等等，是否符合图纸和技术标准的要求；焊缝尺寸、油漆质量是否符合设计要求；构件标号、发货标记等是否齐全、正确、清晰。     五 试验中的两点突破     1、 利用较粗焊丝（φ4）使用斜角焊工艺。     角接焊缝通常采用船形焊，主要是由于船形焊时焊丝为垂直状态，熔池处于水平位置，容易保证焊缝质量。但当焊缝间隙大于1.5mm后，则容易焊穿或流溢熔池金属的现象，帮对间隙的要求较高。而斜角焊由于焊件太大不易翻转或别的原因，焊件不能在船形位置进行焊接时，才采用焊丝倾斜的斜角焊接。其优点是对间隙的敏感性小，其缺点是单道焊焊脚最大不能超过8mm，只能使用多道焊。另外，焊缝隙的成形与焊件的相对位置关系很大。当焊丝位置不当时，易产生咬肉或使腹板未焊合。为保证焊缝的良好成形，焊丝与腹板的夹角应保持在15°~45°范围内（一般为20°~30°）；电弧电压不宜太高，这样可使熔渣减少，防止熔渣流溢。使用权用细丝可以减小熔池的体积，以防止熔池金属的流溢，并能保持电弧燃烧的稳定。所以斜角焊工艺国内通常采用细丝工艺。     但是由于公司细焊丝用得不多，所以我们需通过试验确定粗焊丝（φ4）的斜角焊工艺参数。获得了较好的焊接成形。     埋弧焊一般是大功率焊接的，当电弧长度发生变化时焊接电流的变化很大。例子如弧长增大，焊接电流就减小，焊件上加热斑点就扩大，使能量密度降低；反之，弧长减小，焊接电流就增大，使焊件加热斑点上的能量密度提高。因此，焊接过程中控制制弧长，是稳定焊接规范，保证焊缝质量的关键。     目前在埋弧焊生产中，弧长控制方法是用等送丝调节系统的电弧自身调节作用和。电弧的自身调节作用是指在焊接过程中，焊丝等速送进，利用焊接电源固有的电特性来调节器焊丝熔化速度，以控制电弧长度保持不变，从而达到焊接过程的稳定。     我们选用的埋弧焊电源为美国原装林肯MZ8-2*1000埋弧焊机。     为电弧电压反馈自动调节式。当电弧电压升高时，输入到晶闸管触发器的控制讯号增大，晶闸管的导通角加大，焊丝送丝速度提高，使用权电弧电压又恢复到原来的数值，从而起到自动稳定电流电压的作用。电弧稳定，焊接成形美观，达到满意的焊接效果。     2、 分两层各有侧重分别偏向腹板和翼板焊接成形。     如果一层以45°斜面角焊成形，一是焊脚尺寸不够，二是焊缝向腹板一侧倾斜，造成翼板侧咬边严重。为此我们分两道焊，第一层以70°倾向腹板侧，第二层以15°倾向翼板侧。从而得到了满意的焊缝，焊脚尺寸达到要求，成形良好。     焊枪倾角示意图如下：     六 主要经济技术指标     采用新工艺后，制作每根箱形梁可节约成本分析如下表 节省人工       节约矫正用氧乙炔成本     节省矫正用起重机械台班     每根梁省去人工6工日。       节省氧气4瓶，乙炔2瓶。     节省10吨行车1.5台班       焊接时间缩短一半，不用矫正时间   不用矫正     无需矫正起重机械台班。       折算成人民币计算如下：     每根节省: 人工 50元/工*6工=300元。     氧乙炔 4瓶*10元/瓶+2瓶*80元/瓶=220元     起吊台班 1.5(天)*800元/(台班)*0.25(使子 用系数)=300元     每根共节省小计: 300+220+300=820元.     每根箱形梁节约成本约800元。按一年生产1000根箱形梁计算则可节约80万元。即年创造80万元的经济效益。     提高了质量，提高了企业的形象；节省时间，提高了工效，能保证按期供货，取得良好的社会效益。