柴書(shū)杰 趙河林 李峰

河南森源重工有限公司 河南許昌 461000

1 前言

某12 t汽車(chē)起重機(jī)吊臂為八邊形截面的薄壁箱型梁結(jié)構(gòu)（如圖1），材料選用低合金高強(qiáng)鋼BS700MCK2，臂體總長(zhǎng)約為9 m，通過(guò)折彎成型的上下彎板拼接而成。為滿足吊臂工作時(shí)局部承載需求，下彎板壁厚比上彎板厚1 mm。為保證吊臂裝配質(zhì)量穩(wěn)定和伸縮性能順暢，要求保證吊臂截面尺寸偏差±2 mm、彎角度偏差±0.5°、平面度≤4 mm、上下方向直線度≤4 mm、左右方向直線度≤4 mm,、整體扭曲量≤3 mm。然而，吊臂在制造過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)截面尺寸和成型角度得不到保證、平面度和直線度達(dá)不到要求、旁彎、扭曲等質(zhì)量問(wèn)題，這些問(wèn)題嚴(yán)重影響吊臂質(zhì)量，給吊臂裝配和產(chǎn)品性能造成較大影響。為解決和減少此類(lèi)問(wèn)題，保證吊臂制造質(zhì)量穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)反復(fù)的工藝驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)為在吊臂制造過(guò)程（下料、刨邊、折彎、定位焊、焊接過(guò)程）中控制吊臂筒體的成型質(zhì)量。

圖1 吊臂截面形式

下面根據(jù)工藝技術(shù)、工藝裝備水平和實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)以下關(guān)鍵工序質(zhì)量控制點(diǎn)制定控制措施。

2 下料

吊臂彎板下料采用精細(xì)等離子切割，精細(xì)等離子切割與氧乙炔焰切割相比，等離子弧具有能量集中，切割變形小等優(yōu)點(diǎn)[1]。在等離子切割過(guò)程中，沿切割面形成類(lèi)似于熔化焊接過(guò)程的熱影響區(qū)，熱影響區(qū)內(nèi)的金屬發(fā)生組織變化，同時(shí)由于切割面的金屬因快速受熱和冷卻產(chǎn)生迅速擴(kuò)張和收縮形成內(nèi)部拉應(yīng)力。

汽車(chē)起重機(jī)吊臂彎板下料展開(kāi)長(zhǎng)寬比為9:1，精細(xì)等離子切割下料后，由于等離子切割面產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和板材自身應(yīng)力釋放不均勻，造成較大的切割下料縱向旁彎。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，采用預(yù)留工藝?yán)畲胧┛梢詼p少縱向旁彎量，縱向旁彎量一般控制在2～3 mm。考慮到矯平后零件材料內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步釋放造成的旁彎，將吊臂彎板實(shí)際展開(kāi)寬度尺寸比理論尺寸大8 mm，保證縱向單邊有4 mm刨邊余量，在保證后續(xù)刨邊工序正常進(jìn)行下，減少刨邊量。

3 矯平

由于板材在軋制過(guò)程中存在不均勻的內(nèi)應(yīng)力會(huì)造成一定折彎角度和直線度誤差，導(dǎo)致箱型吊臂扭曲和旁彎。因此對(duì)于4 mm和5 mm的薄壁大幅面低合金高強(qiáng)度板來(lái)說(shuō)，矯平的主要目的不在于“平”，而是在于通過(guò)矯平機(jī)輥軸的反復(fù)輥壓使板材不斷發(fā)生微量塑性變形，盡量釋放和消除板材殘余內(nèi)應(yīng)力，保證后續(xù)折彎尺寸一致、質(zhì)量穩(wěn)定。因此使用矯平機(jī)矯平吊臂彎板展開(kāi)零件時(shí)，應(yīng)調(diào)小輥軸間隙，以4 mm厚工件為例，設(shè)置矯平機(jī)上下輥進(jìn)口尺寸-4 mm，出口尺寸4 mm。同時(shí)反復(fù)輥壓2～3次來(lái)充分釋放其殘余內(nèi)應(yīng)力。

4 刨邊

通過(guò)驗(yàn)證，吊臂彎板展開(kāi)料經(jīng)矯平后仍有3～4 mm的旁彎量，刨邊時(shí)應(yīng)根據(jù)工件實(shí)際變形情況，確定刨邊工藝，對(duì)稱刨削至理論展開(kāi)尺寸，保證寬度尺寸偏差±0.5 mm，橫向?qū)ΨQ度2 mm，刨邊直線度≤1 mm，為下一步折彎尺寸精度提供保障。

5 折彎

起重機(jī)吊臂彎板采用自由折彎，關(guān)鍵在于總長(zhǎng)方向上折彎角度、截面尺寸及直線度的精度和一致性的控制及保證，其直接影響下一步箱型吊臂組對(duì)、焊接尺寸和行位公差精度。通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)情況，主要從以下幾點(diǎn)控制折彎過(guò)程，獲得合格的折彎工件。

5.1 設(shè)備準(zhǔn)備

起重機(jī)吊臂彎板折彎采用某公司1000 t數(shù)控折彎?rùn)C(jī)，最大折彎長(zhǎng)度12 m，折彎?rùn)C(jī)的上折刀和下刀槽采用分段式。為保證折彎后工件的直線度，避免出現(xiàn)死彎、波浪變形等缺陷，轉(zhuǎn)彎時(shí)，要選用合適的上折刀圓弧和下刀槽寬度，上折刀和下刀槽安裝時(shí)保證其整體直線度≤1 mm。同時(shí)，清理干凈上折刀和下刀槽上面的鐵屑等雜物，避免影響折彎精度及對(duì)刀具、下刀槽及母材表面造成劃傷。

5.2 折彎控制

彎曲變形過(guò)程中，材料本身除塑性變形外，必然同時(shí)伴有彈性變形的過(guò)程，當(dāng)彎曲后去掉外力時(shí)，彈性變形部分將立刻回復(fù)，使彎曲件的彎曲角和彎曲半徑發(fā)生變改變，而不再和模具形狀一致，產(chǎn)生回彈[2]。影響回彈的因素很多，而且各因素又互相牽制，故難以進(jìn)行精確的計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)材料屈服強(qiáng)度越高，材料板厚越大，回彈越大，對(duì)于BS700MCK2材料而言，回彈現(xiàn)象更為明顯。因此在折彎過(guò)程中，需要采用“過(guò)量彎曲”來(lái)修正回彈。 在折彎過(guò)程中，反復(fù)采用樣板進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而調(diào)整修正直到折彎角度符合要求。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，BS700MCK2材質(zhì)的吊臂彎板折彎校正值在-8°～-10°，在實(shí)際生產(chǎn)中，即使預(yù)設(shè)彎校正值，臂體折彎時(shí)仍很難做到一次合格，需要進(jìn)行微調(diào)，重復(fù)折彎至合格尺寸。

由于折彎?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，折彎?rùn)C(jī)在工作時(shí)，兩端油缸帶動(dòng)滑塊上下運(yùn)動(dòng)并提供彎曲力?；瑝K和工作臺(tái)產(chǎn)生撓曲變形，使工件沿長(zhǎng)度方向上受力不均勻，兩端受力大，中間受力小，導(dǎo)致工件折彎后中間角度大于兩端角度，中間開(kāi)口尺寸大于兩端開(kāi)口尺寸，出現(xiàn)“桶狀變形”。為解決這一問(wèn)題，在折彎過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)分布于工作臺(tái)下面的一組斜楔使工作臺(tái)中間上凸，補(bǔ)償撓曲變形；也可以采用在工件中部折彎刀與工件之間墊薄銅片的方式，通過(guò)調(diào)整銅片的厚度，補(bǔ)償撓曲變形。通過(guò)以上兩種方法單獨(dú)或配合使用，補(bǔ)償滑塊與工作臺(tái)的撓曲變形，減少“桶裝變形量”，保證折彎縱向角度及開(kāi)口尺寸一致性，保證折彎直邊直線度。

此外，由于吊臂彎板板料本身厚度、強(qiáng)度存在不一致，殘余內(nèi)應(yīng)力分布不均勻等因素，使得在同一參數(shù)情況下折彎會(huì)出現(xiàn)局部角度不一致的情況，且此偏差很難通過(guò)調(diào)整設(shè)備和折彎參數(shù)進(jìn)行消除。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，一般通過(guò)錘擊矯正方式進(jìn)行矯正，通過(guò)錘擊折彎圓弧內(nèi)、外面，使折彎角度有輕微的變小或變大，達(dá)到局部折彎角度矯正的目的。

在實(shí)際生產(chǎn)中，為保證后續(xù)多邊形吊臂筒體組焊尺寸，防止焊后“內(nèi)凹”變形引起的側(cè)面平面度變形超差（見(jiàn)圖2）；同時(shí)，在焊后拋丸除銹過(guò)程中，丸粒對(duì)臂體外表面的擊打會(huì)在臂體表面產(chǎn)生輕微密集的凹坑，形成表面壓應(yīng)力，對(duì)臂體有一定的應(yīng)力釋放效果，尤其是折彎處和縱向拼接焊縫處，由于一定的應(yīng)力釋放，使各折彎處折彎角角度產(chǎn)生輕微回彈，反應(yīng)臂體側(cè)面表現(xiàn)為臂體側(cè)面出現(xiàn)外鼓趨勢(shì)。綜合以上因素，通過(guò)多次驗(yàn)證，確定吊臂彎板開(kāi)口尺寸比理論尺寸大2～4 mm，以獲得最終符合尺寸和形位公差要求的臂體。

圖2 焊后側(cè)面“內(nèi)凹”變形

6 焊接

6.1 定位焊

吊臂定位焊是吊臂焊接的第一道工序，定位焊精度的直接影響吊臂最終焊接成型質(zhì)量。吊臂定位焊控制主要有以下幾點(diǎn)要求。

6.1.1 定位焊工裝胎具準(zhǔn)備

由于吊臂構(gòu)件尺寸大，為保證吊臂定位焊尺寸精度和提高定位焊效率，吊臂定位焊須采用工裝胎具。吊臂定位焊工裝胎具應(yīng)具有定位裝置和上、下彎板組對(duì)壓緊裝置，見(jiàn)圖3；定位焊工裝胎具工作臺(tái)面應(yīng)保證平整且干凈無(wú)異物，工作臺(tái)面通過(guò)整體銑面加工至平面度1 mm；一側(cè)定位靠山與工作臺(tái)面組裝后，應(yīng)保證整體平面度平面度1 mm，靠山定位面與工作臺(tái)面垂直度1 mm。

圖3 吊臂定位焊工裝胎具

6.1.2 定位焊關(guān)鍵控制要求

a.定位焊時(shí)，首先要在平臺(tái)上放置一側(cè)彎板，一般為減少折彎偏差對(duì)整體組對(duì)造成的尺寸偏差影響，及方便整體組對(duì)后在工裝上檢驗(yàn)測(cè)量，應(yīng)將折彎邊多的一側(cè)彎板置下，一般為下彎板。通過(guò)調(diào)整，使下彎板一側(cè)與定位靠山緊貼，另一側(cè)采用頂緊裝置頂緊。保證彎板開(kāi)口端面縱向各點(diǎn)距工裝胎具工作臺(tái)面高度一致，誤差≤1mm；彎板兩側(cè)面與工作臺(tái)面垂直度1mm，開(kāi)口尺寸符合設(shè)計(jì)要求；

b.將上彎板與下彎板組對(duì)，通過(guò)調(diào)整墊片和壓緊裝置調(diào)整，保證上、下彎板組對(duì)間隙1～2 mm，上下彎板側(cè)面對(duì)齊，錯(cuò)邊量≤0.5 mm；

c.由于吊臂壁板較薄，上、下彎板對(duì)接焊縫要求單面焊雙面成型，正面焊縫余高≤1 mm，上、下彎板縱縫焊時(shí)一般采用單層單道焊。為保證定位焊縫背透，縱縫焊接時(shí)焊縫余高差一致，減少縱縫焊前對(duì)定位焊縫的修整，同時(shí)防止縱縫焊接時(shí)出現(xiàn)定位焊開(kāi)焊和對(duì)接位置變形錯(cuò)邊，定位焊采用手工鎢極氬弧焊。定位焊長(zhǎng)度控制在40～60 mm，高度控制在2～3 mm，間距控制在250～300 mm；

d.定位焊不得有氣孔、弧坑裂紋、嚴(yán)重咬邊等缺陷；

e.定位焊完畢后，在吊臂筒體兩端點(diǎn)固焊工藝?yán)?，以減少和控制焊接變形。

6.2 縱縫焊

縱縫焊是吊臂筒體質(zhì)量保證的關(guān)鍵過(guò)程，焊縫質(zhì)量的控制，臂筒尺寸及形位公差的保證直接影響吊臂的安裝、伸縮和承載能力。這些關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)一方面是通過(guò)定位焊過(guò)程控制，另一方面是通過(guò)焊接技術(shù)和工藝規(guī)范保證。

八邊形箱型梁構(gòu)件尺寸大，焊縫長(zhǎng)，焊接熔敷必然造成較大的焊接變形，因此必須采取有效措施進(jìn)行控制和預(yù)防。箱型梁焊接構(gòu)件主要的變形是橫向收縮變形，從焊接變形理論可知，影響焊接變形大小的因素主要有：焊縫尺寸越大，熔敷金屬越多，變形越大；焊縫尺寸相同時(shí)，焊縫熱輸入越大，造成的變形越大。

根據(jù)以上分析，在保證焊縫質(zhì)量的前提下，控制和減少焊接變形的主要措施是設(shè)計(jì)合理的坡口形式和尺寸，制定最佳的焊接規(guī)范。為有效控制臂筒縱縫焊接過(guò)程，保證臂筒質(zhì)量，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)。

6.2.1 焊接方法選擇

通過(guò)分析，確定吊臂筒體對(duì)接縱縫焊采用單層單道脈沖熔化極富氬混合氣體保護(hù)焊，短路過(guò)渡，具有良好的電弧穩(wěn)定性、潤(rùn)濕性和焊縫成型[3]。

6.2.2 焊前準(zhǔn)備

a.焊接裝備。吊臂筒體對(duì)接縱縫焊采用龍門(mén)軌道式縱縫自動(dòng)焊專(zhuān)機(jī)，焊接電源采用某品牌脈沖MAG/MIG數(shù)字焊機(jī)，提高焊接效率和表面質(zhì)量；

b.表面清理。焊前應(yīng)將焊縫表面的油污、銹蝕、氧化皮、灰塵等雜質(zhì)清理干凈，防止在焊接過(guò)程中產(chǎn)生氣孔、夾雜等缺陷；

c.坡口設(shè)計(jì)。坡口形式對(duì)控制焊縫內(nèi)部質(zhì)量和焊接結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量有直接影響。坡口設(shè)計(jì)必須考慮母材的融合比、焊接位置和綜合經(jīng)濟(jì)效益等因素，根據(jù)圖1，最終確定吊臂筒體對(duì)接焊縫坡口的形式，如圖4所示；

圖4 吊臂筒體對(duì)接焊縫坡口形式

d.焊絲的選擇。焊絲的選擇包括焊絲尺寸和焊絲成分的選擇。根據(jù)“等強(qiáng)匹配”原則，60 kg級(jí)以上鋼材選用高強(qiáng)度焊絲匹配（ER69-G），直徑φ1.2；

e.保護(hù)氣體的選擇。保護(hù)氣體的選擇要考慮母材金屬的種類(lèi)和熔滴過(guò)渡類(lèi)型。為獲得理想的電弧特性和焊道幾何形狀，同時(shí)減少合金元素的燒損，保護(hù)氣體選用Ar+(15～20)%CO2。

6.2.3 焊接參數(shù)設(shè)定

焊接參數(shù)包括焊接電流、電弧電壓、保護(hù)氣體流量、焊接速度、焊絲伸出長(zhǎng)度等。

a.焊接電流的選擇。焊接電流是重要的焊接參數(shù)，是決定焊縫熔深的主要因素。焊接電流越大，焊絲熔敷效率越高，熱輸入越大，相應(yīng)的焊接飛濺率、焊接熱變形和合金元素?zé)龘p率也越大。為獲得小飛濺率的短路過(guò)渡，減少焊接熱變形和降低合金元素?zé)龘p，低合金高強(qiáng)鋼焊接應(yīng)選用小電流；

b.電弧電壓的選擇。電弧電壓提供焊接能量。電弧電壓越高，焊接能量越大，焊絲熔化速度就越快。因此焊接電流必須與電弧定壓相匹配才能獲得穩(wěn)定的焊接電弧。焊接電流和電弧電壓可用關(guān)系式U=[0.04I+（16±2）]V協(xié)調(diào)匹配。同時(shí)由于焊槍電纜造成的電壓損失，實(shí)際電弧電壓=焊機(jī)輸出電壓-電壓耗損，即在焊機(jī)上設(shè)置的實(shí)際電弧電壓=電弧電壓+電壓耗損。一般10 m長(zhǎng)電纜，200 A電流焊接時(shí)電壓耗損約為1.5 V；

c.保護(hù)氣流量的選擇。氣體保護(hù)焊時(shí)，保護(hù)效果不好將產(chǎn)生氣孔，甚至使焊縫成形破壞。保護(hù)氣流量過(guò)小，保護(hù)氣噴射形成的氣柱“挺度”不夠，保護(hù)不好；保護(hù)氣流量過(guò)大，氣柱產(chǎn)生紊流，會(huì)使空氣卷入，產(chǎn)生氣孔。因此，保護(hù)氣流量應(yīng)根據(jù)焊接電流大小進(jìn)行設(shè)定，一般200 A左右電流的薄板焊接時(shí)，氣體流量為15～20 L/min；

d.焊接速度的選擇。其他條件不變時(shí)，中等焊接速度的熔深最大，焊接速度過(guò)低時(shí)，單位長(zhǎng)度焊縫上的熔敷金屬量增加，焊接電弧將沖擊熔池，而不是母材，這樣會(huì)降低有效熔深，焊道也將加寬；焊接速度過(guò)高時(shí)，在單位長(zhǎng)度焊縫上向母材過(guò)渡的熱能減少，產(chǎn)生咬邊和駝峰焊道。一般200 A左右電流的薄板焊接時(shí)，縱縫自動(dòng)焊焊接速度為44～48 cm/min；

e.焊絲干伸長(zhǎng)的選擇。焊絲干伸長(zhǎng)是指導(dǎo)電嘴端頭到焊絲端頭之間的距離，隨著焊絲伸出長(zhǎng)度的增加，焊絲的電阻也增大。保持焊絲干伸長(zhǎng)度不變，是保證焊接過(guò)程穩(wěn)定性的重要因素之一。干伸長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)，氣體保護(hù)效果不好，易產(chǎn)生氣孔，引弧性能差，電弧不穩(wěn)，飛濺加大，熔深變淺，成形變壞；干伸長(zhǎng)過(guò)短時(shí)，看不清電弧，噴嘴易被飛濺物堵塞，飛濺大，熔深變深，焊絲易與導(dǎo)電咀粘連。短路過(guò)渡時(shí)，合適的干伸長(zhǎng)長(zhǎng)度約為12～15 mm，且隨電流增大應(yīng)適當(dāng)增加。

表1 吊臂臂筒縱縫焊焊接參數(shù)

綜上所述，通過(guò)多次驗(yàn)證，制定如表1所示的吊臂臂筒縱縫焊焊接參數(shù)。

7 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多次試制驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，按照上述所采用的工藝方法和控制措施，汽車(chē)起重機(jī)吊臂加工成型截面尺寸、折彎角度、表面平面度、整體直線度及扭曲量等關(guān)鍵質(zhì)量項(xiàng)目均可有效控制在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)合格范圍內(nèi)，解決了吊臂在制造過(guò)程中的焊接變形問(wèn)題和焊縫質(zhì)量問(wèn)題，滿足了批量生產(chǎn)的要求，有力地提升了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。