武太斌 李新群 孫躍

桁架臂臂頭主弦管與接頭焊接工裝的設(shè)計與應(yīng)用

武太斌 李新群 孫躍

臂頭結(jié)構(gòu)是履帶起重機的關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)件之一，其焊接質(zhì)量與起重機整機的安全性能息息相關(guān)。為保證臂頭結(jié)構(gòu)使用性能和整體穩(wěn)定性，在主弦管與接頭的連接焊縫接頭處需要獲得較高的強度和良好的韌性，通過對其相關(guān)焊接工裝進行設(shè)計，便于焊縫質(zhì)量的有效控制，避免了焊接缺陷的產(chǎn)生，對臂頭的質(zhì)量提升具有一定的指導(dǎo)意義。

1. 概述

隨著工程機械行業(yè)的高速發(fā)展，為滿足產(chǎn)品的實際生產(chǎn)性能與安全設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)件焊縫質(zhì)量的保證已成為產(chǎn)品綜合性能進一步提高的關(guān)鍵因素。

如圖1所示，臂頭作為履帶起重機的關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)件之一，為保證該焊接結(jié)構(gòu)件的可靠性能，其主弦管與接頭均是采用高強鋼作為設(shè)計規(guī)范，兩者連接焊縫的質(zhì)量會直接影響起重機整機的安全性能。針對該連接焊縫的現(xiàn)有的質(zhì)量問題，公司通過進一步的分析和優(yōu)化，提出了合理的焊接工裝設(shè)計方案，有效地提高了相關(guān)焊縫的質(zhì)量，最大程度地滿足了臂頭結(jié)構(gòu)的使用要求。

2. 焊接質(zhì)量問題

作為與其余臂架連接的主要部位，對于主弦管與接頭的對接焊縫質(zhì)量一般有著比較高的要求。為保證主弦管與接頭連接焊縫的質(zhì)量，并降低臂頭整體焊接

時的難度，進一步提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，在臂頭結(jié)構(gòu)實際生產(chǎn)時，主弦管與接頭需要在臂頭整體拼點之前完成對接，即兩個零部件一般作為組件預(yù)先完成拼點焊接，以進一步減少因焊接操作難度的提升而導(dǎo)致的焊接缺陷。

圖1 臂頭結(jié)構(gòu)

針對生產(chǎn)現(xiàn)場實際施焊情況，該焊縫主要存在下述質(zhì)量問題：①焊縫易形成凸形焊道并產(chǎn)生裂紋。②焊縫成形面比較粗糙，影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量。③其他焊接缺陷：如咬邊、焊瘤、氣孔及夾渣等。

3. 影響因素分析

通過對臂頭生產(chǎn)現(xiàn)場實際施焊情況進行跟蹤了解，結(jié)合現(xiàn)有焊接工藝方案，針對主弦管與接頭對接焊縫現(xiàn)有的焊接質(zhì)量問題進行統(tǒng)計分析，問題產(chǎn)生原因如下。

受臂頭自身結(jié)構(gòu)設(shè)計形式的影響，其主弦管與接頭組件的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，其端面結(jié)構(gòu)形式不規(guī)則，利用現(xiàn)有滾輪架焊接專機無法單獨進行施焊。針對這種情況，生產(chǎn)現(xiàn)場一般采取以下兩種措施進行解決：一種是對焊縫進行平焊填充，手動對單個組件進行施焊；另一種是利用工藝支撐對組件進行組對（見圖3），以完成在滾輪架焊接專機上的半自動施焊。

上述兩種方式在生產(chǎn)時均具有一定的可行性，經(jīng)過對實際焊接情況的跟蹤比較，我們發(fā)現(xiàn)：首先，前者通過對焊縫進行手動平焊填充完成焊接，與后者相比雖然減少了工藝支撐的搭接時間，但由于沒有滾輪架焊接專機的輔助，焊接操作效率并沒有顯著的提高，反而由于采用平焊填充方式，焊縫的成形表面比較粗糙，外觀質(zhì)量比較低（見圖4），且容易產(chǎn)生焊接缺陷，進一步影響產(chǎn)品的整體可靠性能；其次，后者為了減少焊接時間、保證對接焊縫的成形質(zhì)量，利用滾輪架焊接專機進行組對焊接，雖然降低了焊接缺陷的產(chǎn)生概率，但在對該組件進行焊前組對時需要保證兩者的同軸度，而臂頭所屬主弦管的不規(guī)則形狀無形中提高了組對時工藝支撐的搭接難度，進而降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，與此同時焊接完成后對工藝支撐進行氣割去除時，在主弦管內(nèi)部時常留有工藝支撐的氣割余量，在給生產(chǎn)造成成本浪費的同時影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。

4. 焊接工裝的設(shè)計與應(yīng)用

為了保證履帶起重機臂頭焊接質(zhì)量，提高產(chǎn)品可靠性能，針對上述問題，我們對現(xiàn)有焊接操作方案進行了分析和優(yōu)化，設(shè)計一種相應(yīng)的輔助焊接工裝，有效地解決臂頭主弦管與接頭的類似焊接問題。

（1）工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計 在對履帶起重機臂架結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，接頭形式主要有三種：單接頭、雙接頭、三接頭；結(jié)合總體優(yōu)化后的方案理念，我們將最終改進的臂頭主弦管與接頭對接焊縫焊接工裝分為兩類：雙接頭方案和單、三接頭共用方案，實際生產(chǎn)時，該焊接工裝需要結(jié)合滾輪架焊接專機輔助工件轉(zhuǎn)動進行半自動施焊，其工作狀態(tài)如圖5所示。

兩種方案對應(yīng)的焊接工裝結(jié)構(gòu)如圖6所示。

該焊接工裝主要由螺栓、中間隔板或雙側(cè)夾板、銷軸、壓板等幾部分組成，主要是為了實現(xiàn)臂頭主弦管與接頭組件的快速組對及高效焊接，圖示兩種工裝結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別之處在于根據(jù)接頭樣式的不同改變的定位方式，設(shè)計時根據(jù)臂頭接頭形式選擇對應(yīng)的設(shè)計方案，結(jié)合接

頭外形尺寸，選用合適的中間隔板厚度或雙側(cè)夾板間距以及穿軸孔徑，并對相應(yīng)的螺栓孔合理布置，初定工裝各零部件外形尺寸，進一步完成工裝的整體方案設(shè)計。

圖3 工藝支撐搭接焊接

圖4 平焊填充焊接效果

圖5 工裝焊接工作狀態(tài)

圖6 焊接工裝結(jié)構(gòu)

工裝具體操作過程如下：

第一，根據(jù)產(chǎn)品尺寸調(diào)整兩個滾輪架的間距至對應(yīng)尺寸。

第二，按照設(shè)計尺寸要求，將臂頭主弦管與接頭拼點定位成組件。

第三，根據(jù)工裝設(shè)計要求選取對應(yīng)的工裝零部件，結(jié)合實際選用的工裝方案，將臂頭主弦管與接頭組件兩兩組對裝配（見圖7）。

首先是雙接頭方案（見圖5~圖7右圖），裝配時雙接頭之間放置中間隔板，并穿銷軸加以定位，兩側(cè)采用壓板固定，使用螺栓將中間隔板與壓板鎖緊，保證兩組件之間的同軸度，同時通過螺栓鎖緊時的拉力對銷軸施以一定的預(yù)緊力，以增加銷軸與工件及工裝之間的摩擦力，防止施焊時銷軸脫落，避免安全事故的發(fā)生。

其次是單、三接頭方案（見圖5~圖7左圖），使用方法與雙接頭方案基本相同，區(qū)別之處在于定位方式的轉(zhuǎn)變，為了焊接時工裝的整體穩(wěn)定性能，在該方案中使用的是雙側(cè)夾板夾緊、再穿銷軸定位，使用螺栓分別對將兩側(cè)夾板與壓板進行鎖緊。

第四，組對裝配完成后，將裝配后的組件吊運至調(diào)整好的滾輪架上，放置平穩(wěn)（見圖5）。

第五，啟動滾輪架焊接專機，按照焊接工藝開始對臂頭主弦管與接頭的對接焊縫進行半自動施焊。

第六，焊接完成后，先將組件吊離滾輪架，再將該焊接工裝取下留待下次使用，工件自動轉(zhuǎn)入下道工序。

（2）工裝應(yīng)用效果 通過對工裝使用效果的跟蹤確認(rèn)，可以發(fā)現(xiàn)焊接工裝的使用最大程度的減少了組對時的人為誤差，保證了組對時兩組件的同軸度，有利于減少焊接缺陷的產(chǎn)生，提高了焊縫的焊后質(zhì)量。使用該工裝可以減少焊接準(zhǔn)備時間，調(diào)整較為方便，在降低員工勞動強度的同時還可以提高工作效率；此外，利用焊接工裝可以得到較好的焊縫成形表面（見圖8），對提高產(chǎn)品的外觀質(zhì)量有著顯著的作用，是一種行之有效的方案。

圖7 組對裝配剖視

圖8 焊接效果

武太斌等，徐工機械建設(shè)機械分公司(履帶吊廠)工藝技術(shù)研究所。