机械设备加工过程中厚板焊接工艺的应用

唐 立

（东莞尚源木业有限公司，东莞 523146）



机械设备加工过程中厚板焊接工艺的应用

唐 立

（东莞尚源木业有限公司，东莞 523146）

摘 要：本文主要分析了机械设备加工过程中厚板焊接工艺的应用。通过不断改进和更新厚板焊接工艺，有效控制焊接中的缺陷，确保能够完全满足焊接机械设备的实际需求，从而提高加工机械设备的整体质量。

关键词：机械设备 加工 厚板焊接工艺

随着社会的进步和发展，加工项目变得越来越大型，设备也变得更加重型化和大型化。机械设备生产加工过程中，焊接厚钢板逐渐成为主要的技术困难。实际进行焊接时，如果具备超过100mm厚度钢板时，将会出现一定的焊接质量问题，如过多裂纹和焊缝、不能满足实际规范等。从分析形成焊接缺陷的影响因素基础出发，依据国际标准规定设备焊接规范需求，不断改进和更新焊接工艺，完善焊接厚钢板工艺流程，可以在一定程度上有效解决焊接缺陷问题。

1 焊接中存在的缺陷

在焊接厚钢板过程中，经常会出现一些避不可免的问题和缺陷，主要发生在裂缝附近和焊缝周围，不能完全满足焊接厚钢板实际需求，从而影响机械设备加工焊接的整体质量，甚至严重影响设备运行或者报废设备。加工设备焊缝以及附近出现裂纹，多是因为焊接设备时没有进行足够的保温或者预热。同时，由于操作等相关因素，也会出现夹渣和表面气孔。这是因为焊接设备的时候，加工设备表面会出现很多孔缝，且存在夹渣。因此，在加工机械设备的过程中，需要保证焊缝表面没有焊瘤和裂缝等缺陷，1、2级别焊缝表面不可以存在渣、气孔、电弧擦伤、弧坑裂纹等问题和缺陷[1]。

2 机械设备加工过程中的厚板焊接工艺

分析机械设备加工过程中厚板焊接工艺时，主要的应用钢板是厚度为200mm的Q235A普通碳素钢板。

第一，开破口。焊接厚钢板时，应适当形成双面V型破口。第二，进行焊前清理。在正式焊接设备前，需要及时清理破口和破口两侧30～50mm范围内存在的水分、油脂、杂质、铁锈、氧化皮等。第三，烘干焊条。依据焊接机械设备的国际相关标准，在使用碱性焊条进行焊接前，需要对焊条进行300～350℃烘干，也可以依据加工制造标准保温2小时焊条。在焊接机械设备时，需要在100℃范围保温桶中合理存放焊条[2]。第四，控制层间和预热温度。因为具备200mm厚度的钢板，在正式焊接前需要对钢板进行预热。这是十分重要的焊接加工工序，预热时需符合钢板厚度以及其中的C含量。气保焊焊接和焊接碱性焊条时，需要具备180～200℃的预热温度，同时还需合理应用电加热，保持均匀的预热温度。焊接设备时，需要存在200～400℃的层间温度。如果中断焊接，则需要重新进行预热。第五，

控制热输入的焊接参数，如表1所示。

表1 焊接机械设备参数

第六，焊接操作。使用多层多道焊的焊接方式。薄焊层窄焊道，不可以随意摆动立焊部位。此外，立焊过程中，摆动的时候也不可以超过20mm。第七，为了确保焊接机械设备的整体质量，在完成焊接整体厚度的1/2和1/4时，需要适当进行中间UT探伤，以及时发展和解决焊接过程中出现的问题，及时返修，从而保证焊接设备的整体质量。一般情况下，在进行两次返修后，如果还是会出现焊接缺陷，此时需要暂停焊接和返修，待充分考虑各种因素后，再进行返修和焊接。返修焊接设备时，相较正常温度来说，预热温度需要适当高出30～50℃[3]。焊缝返修工艺示意图如图2所示。一是清除焊接缺陷时，合理应用碳弧气爆，之后把其打磨形成U破口，直到表面，光亮不存在渗碳层和氧化皮为止；二是基本形式为碳气刨破口，半径不小于6的圆滑破口底部，平整的破口斜面，20°左右的斜面夹角；三是检测打磨部位时应用PT方式，以保证能及时清理干净缺陷。

图1 焊缝返修工艺示意图

第八，焊后消氢处理。完成焊接后，应及时进行后预热处理，250～300℃的后预热处理温度，需要进行3～4小时保温。完成后热处理后，在设备上合理覆盖石棉以及其他保温材料进行冷却处理，以确保能够符合室温标准。第九，焊接完成48小时后，应该依据《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级法》GB11345国家标准或者相关检测规范，对焊接设备最终进行UT探伤。完成UT探伤后，需要后热处理设备[4]。

3 焊接残余应力

焊接残余应力实际上就是热应力，重叠加入可变应力。在进行焊接的时候，焊接区域熔化速度要远远高于其他区域，材料受热膨胀。受附近冷区域的影响，出现热应力。升高受热区域温度后会降低屈服极限，部分超过局部屈服极限而形成热压缩，冷却后会缩短区域，所以上述区域会出现一定残余应力。残余应力就是没有受到荷载时构件的应力，属于自相平衡内应力系统，即残余应力在所有荷载面上都存在拉力和压力、内力以及内力矩平衡[5]。

4 计算残余应力

完成焊接后，测量焊接残余盈利的时候使用切条法。机械设备研磨或者加工焊缝表面的时候，需要保证平整。在焊道上合理贴上电阻应变片，依据线切割方式合理测量焊缝表面垂直焊缝方向和焊缝方向中存在的应变释放量。在试件中心大约50mm范围内限定测量实际范围，能够合理得到垂直焊缝放线和焊缝方向上存在的释放应变。依据下述式（1）、（2）分别计算焊缝横向残余应力和纵向残余应力：

其中，v是材料泊松比，E是弹性模量，取198.5GPa弹性模量值，泊松比是0.3。

4.1 计算温度场

厚板焊接的时候，在输入热不是很大的基础上，残余应力低。所以，应该合理使用等密度体积热源的方式来模拟焊接热输入。在分析已经获得焊缝截面的前提下，对热源截面形状进行定义，具备一致的单元长度和等体积密度热源长度是5.25mm。在计算温度的时候，依据式（3）计算热源单位体积、单位时间、热流密度。

其中，U是电弧电压，η是电弧效率，VH是热源体积，I是焊接电流。

在计算温度场的时候，合理应用非线性传热方程，有效分析内部焊接工件电弧热的传导过程。此外，还应该分析内部环境、工件辐射以及对流[6]。

4.2 计算焊接残余应力

在计算残余应力的时候，应该具备符合虎克定律的弹性应力应变关系。利用线膨胀系数来有效分析和计算热应变，密赛斯准则分析塑性形变，在计算残余盈利的时候合理研究高温力学性能。由于存在相对比较明显的奥氏体不锈钢加工硬化，所以计算过程中应依据各向同性硬化准则来有效分析加工材料硬化的实际作用和效果。此外，还应该充分分析退火效应，假设具备800℃退火温度。相较热处理来说，退火是不同的概念。退火效应就是说在硬化加工设备材料后，当材料符合退火温度时，会失去材料硬化加工历史。冷却降低到退火温度后，材料能够继续进行硬化加工。在有限元模型中分析的时候，如果存在高于退火温度的温度，则具备为0的索性应变，且加工材料温度处于退火温度以上的硬化加工系数也是0[7]。

假设具备相同的母材和焊缝金属力学性能。计算焊接残余应力的时候，为了避免出现相对较高的焊接残余应力，需要详细分析焊缝金属性能给焊接残余应力带来的影响。在实际进行实施时，因为没有外加约束条件，因此模拟过程中的数值约束仅仅是避免出现刚体位移的条件。焊接残余应力虽然能够在构件表面上自相平衡，但是会在一定程度上影响设备刚度，从而影响构件设备整体承载力、条形切割方式（即在实验中切割试件，便于释放残余应力，仅仅测量比较大残余应力的构件）[8]。

5 结束语

加工机械设备过程中，焊接厚钢板属于复杂的施工过程。焊接加工的时候，需要充分分析多方面因素，保证焊接整体质量，从实际加工生产中合理分析和总结焊接厚钢板的经验，分析焊接工艺和残余应力的影响，为以后发展大型设备提供依据和保障。

参考文献

[1]张立朋.机械设备加工过程中厚板焊接工艺[J].建材世界，2012，（4）：137-138.

[2]徐维峰.特厚板轧机油膜轴承锥套断裂原因分析与研究[C].“豫兴热风炉杯”2011曹妃甸绿色钢铁高峰论坛暨冶金设备管理经验交流会论文集，2011：171-174.

[3]C.Fischer，D.Auzinger，J.Maierl.奥钢联中厚板公司厚板轧机质量和产量的提高[J].钢铁，2011，（12）：81-83.

[4]吕静，张兴起.中厚板步进式冷床的位置控制[C].中国计量协会冶金分会2011年会暨全国第十六届自动化应用技术学术交流会论文集，2011：379-381.

[5]王艳飞，耿鲁阳，巩建鸣.热处理对超厚板焊接残余应力影响的数

值分析[J].南京工业大学学报：自然科学版，2013，（1）：66-70. [6]鹿安理，史清宇，赵海燕.厚板焊接过程温度场、应力场的三

维有限元数值模拟[J].中国机械工程，2011，（2）：183-186. [7]闵庆凯，王宾.焊接机器人智能控制厚板焊接一次成形[J].

焊接技术，2010，（12）：34-36.

[8]陈峥，李坤宏.镁合金厚板载流搅拌摩擦焊接头的组织与力学性能[J].电焊机，2015，（6）：95-99.

Application of Plate Processing Machinery and Equipment Welding Technology

TANG Li
(Dongguan Shang Yuan Wood Industry Co.，Ltd., Dongguan 523146)

Abstract:This arti cle mainly analyzes the mechanical equipment in the proces s of thick plate welding proces s applications. Through continuous improvement and update of thick plate welding process, effective control of the welding defects, make sure you are able to fully meet the actual needs of welding machinery and equipment, thereby improving the overall quality of the processing machinery and equipment.

Key words:mechanical equipment for processing, thick plate welding process