大马力推土机结构件焊接变形可控性工艺研究

大马力推土机结构件焊接变形可控性工艺研究

吴月 王超 李德明

【摘要】随着矿山资源开发逐步深入，推土机工况越来越苛刻，致使产品趋于大型化，同时对关键结构件的要求越来越高。大型构件一般采取焊接方式连接，而焊接变形难以控制一直是影响部件质量的关键因素，也无法保证产品质量稳定的要求。因此，针对大型结构件的焊接变形控制问题进行工艺研究，通过对产品结构、工艺装备、工艺参数的改进，同时采取反变形控制、焊接设备创新等措施，达到控制结构件的焊接质量目的。

关键词：结构件；后桥箱；焊接；工艺研究

1. 概述

推土机隶属铲运工程机械，在工程机械中有着举足轻重的地位，它广泛适用于水利工程、铁路、公路施工，尤其在恶劣的工况条件下，有着其他机械无可替代的作用，并与其他工程机械的有效组合能最大限度地发挥机械效率。尤其是近年来随着矿山资源的深度开发，推土机逐渐朝着大型化趋势发展，在公司开发大马力产品时，深刻感受除外购配套件系统匹配外，大型结构件是产品质量的关键，这其中大型结构件（台车、后桥箱、主机架）的焊接变形难以控制一直是影响部件质量的决定性因素，也无法保证产品质量稳定的要求，也一直是工艺技术人员努力研究的方向。

本文以公司战略产品-3型大马力推土机后桥箱为例，阐述新型推土机结构件焊接问题及相关工艺试验研究，以达到控制焊接变形，提升产品质量的目的。

2. 结构及问题

推土机后桥箱作为主机关键结构件，其关键部件变速器、中央传动和终传动装置均安装在其上面，承担了推土机动力传输功能，也是松土器松土和推土机牵引的受力载体，可见后桥箱的焊接加工质量关系到整机的质量和可靠性。后桥箱材质既有铸钢件又有板材（Q345、Q460C），其结构复杂，内、外焊缝多，对焊缝质量及尺寸要求严格。

现场主要采取CO2气体保护焊，其焊接工艺流程：一次组对→一次焊合→二次组对→二次焊合→机器人焊接→焊补探伤。由于后桥箱焊接变形量无法控制和因内壳体铸件变形，导致图1中关键尺寸A、B、C等无法同时保证工艺尺寸1480（-2，+2）mm，致使后续加工余量不均以及没有加工量的问题，小腿呈倒八字形，上宽下窄。 宽度要求1300（0，-3）mm，实测上侧（1302～1307）mm，下侧（1306～1312）mm，加工余量较大。同时后面板关键焊缝探伤一次不合格率＞90%，也严重影响了后续主机架的组焊质量。

3. 改进方案

为了尽快解决上述工艺难点，我们对前期生产实际工艺数据进行了收集、对比分析，如表1所示。根据焊接前后的变形量数据可以看出，除个别样本外，基本变形规律为法兰面C尺寸与小腿外档下基本一致，法兰面A与小腿外档上基本一致，法兰面B变形尺寸最大。

图1 推土机结构示意

表1 后桥箱组焊数据收集对比 （mm）

后桥号测量部位法兰面A法兰面B法兰面C小腿上E小腿下F焊前1494 1497 1488 1310 1310焊后1483.5 1483 1482 1300.5 1304变形量10.5 14 6 9.5 6 2015150焊前1495 1498 1487 1310 1310焊后1482 1485 1482 1297 1301变形量13 13 5 13 9 2015151焊前1495 1497 1488 1309 1301焊后1483 1484 1484 1298 1297变形量12 13 4 11 4 2015153焊前1495 1497 1488 1309 1310焊后1484 1486 1482 1297 1308变形量11 11 6 12 2 2015156 2015159焊前1493 1496 1487 1304 1305焊后1482 1481 1482 1295 1301变形量11 15 5 9 4焊前1494 1497 1488 1307 1302焊后1482 1483 1482 1297 1297变形量12 14 6 10 5合计平均变形量11.6 13.3 5.3 10.75 5 2015160

同时发现法兰面B点与小腿上端变形量保持一致（11mm），法兰面C点与小腿下端变形量保持一致（3mm），根据焊接变形量调整组对尺寸A点1494mm、B点1497mm、C点1490mm，小腿外档上端1311mm（与B点一致），同时为保证小腿上下尺寸E、F，从设计上要求壳体上下尺寸渐变，为此需修改左右壳体铸造模具。

关于后面板焊缝焊接缺陷问题，经研究分析，大马力推土机原焊缝形式为对接单V焊缝，由于组对尺寸频繁调整导致后面板与内壳体组对间隙过大且不均匀，焊接打底时易出现缺陷。为了克服这一质量问题，后面板与壳体之间的焊缝调整为搭接结构（见图2），后面板搭接在壳体的档边上，同时要求组对定位焊是在内侧，不会因为定位焊因素导致焊接时焊缝中形成夹渣、焊豆，保证了焊缝的平整性。

4. 方案实施及改进效果

图2 焊缝结构改进示意

按照上述改进方案逐步细化，如图3所示。具体实施：先后修改了左右壳体模具使小腿外侧尺寸呈渐变式，同时依据A、B、C相关变形量调整后桥箱组对工装尺寸，对组对工件采取失效和抛丸处理，确保焊前工件质量和组对尺寸。为了更好地实现后桥箱的船形焊，经过技术人员对现用常规机型后桥箱焊接机器人的技术载荷参数进行确认，同时改造设计通用性夹具把后桥箱原人工地摊式焊接创新为焊接机器人自动焊。采用改进方案后，一是改变以前在焊接的过程中采取专用焊接支撑架进行固定焊接，为了保证工件较好的焊接状态，需频繁采取行车进行吊装翻转，存在较大的不安全因素；二是该地摊式作业也很难使焊接工件处于船形焊姿态，经常导致焊接质量不稳定，且生产效率低下，人员的作业环境较差，作业负荷较高等问题。

图3 现场实施

表2 试验后桥箱组焊数据对比表 （mm）

后桥号测量项目小腿外档上小腿外档下法兰面A尺寸法兰面B尺寸法兰面C尺寸焊前1311.5 1304.5 1494 1497 1490焊后1299 1298 1481 1481 1482 2015162工艺要求1300（0,-3）1300（0,-3）1480（-2，+2）变形量12.5 6.5 13 16 8

采取上述工艺方案进行一台后桥箱焊接试验，焊后进行超声波探伤检测合格，并对相关检测数据进行收集，焊后尺寸满足工艺要求（见表2），达到了较好的试验效果。

通过对机器人技术的了解和后续批量工艺试验，我们发现焊缝结构改进后探伤不合格率下降至5%以下，同时工业机器人优越性也得到充分的体现，能够在焊接时具有自动找正焊缝的起始位置和正确的方向，尤其焊接中厚板时都会带有焊接起始点寻位、焊缝跟踪和坡口宽跟踪等焊接功能，配合L型三轴变位机，实现了对工件的全位置船形焊，同时针对工程机械中厚板件提供了多层多道焊专家库，操作更加简便。随着单工位机器人的应用，其稳定的工艺参数和先进监控软件使得焊缝质量得到了较大的提升，焊接效率较人工也提升30%以上。

5. 结语

随着后桥箱焊接变形的可控性研究及焊缝质量的提升，积极推进大型结构件焊接工艺研究。通过采取结构改进、工艺工装优化和反变形等工艺措施，制定相关工艺创新方案，有效解决了控制主机架、台车架等关键结构件的焊接变形问题，提高了结构件的焊接质量，并以此为契机形成了大型结构件焊接自动化柔性生产技术研究，推动传统的焊接向自动化、智能化，以及“高精度控形”、“低损伤控性”的先进制造模式的转变。

参考文献：

[1]中国机械工业学会焊接学会.焊接手册[M].第三版，第三卷.北京：机械工业出版社，2007：10.

作者简介：吴月等，山推工程机械股份有限公司。