转台槽钢焊接咬边的原因及控制措施

转台槽钢焊接咬边的原因及控制措施

董怀峰杨辉利闫磊

海洋石油工程股份有限公司  天津市滨海新区 300452

摘要：转台是安装汽车起重机起升机构、变幅机构、原动机和驾驶室的框架，需要足够的强度和刚度。槽钢可以加强转盘结构，槽钢处的咬边会大大降低转盘的承载能力。如果槽钢上出现裂纹，转台结构将会变脆或疲劳损坏。

关键词：咬边；锐度；焊接参数；

在转台的焊接过程中，槽钢部位易出现咬边缺陷。通过分析产生焊缝咬边的几个工艺因素：铆工拼点，焊接电流，焊丝角度，焊接速度，得出有效的控制措施。

一、咬边的危害

焊接咬边是指由于焊接参数选择不恰当，或操作方法不正确，焊接时熔敷金属未完全覆盖在母材的已熔化部分，在焊趾上产生的低于母材表面的沟槽。表征咬边的主要参量有咬边长度L、咬边深度H、咬边宽度W。在转台槽钢部位，咬边大量出现，连续咬边长度达槽钢全长的60%。槽钢处咬边深度不允许超过5mm，单个咬边长度不允许超过3mm。超出焊接工艺质量标准要求的咬边，将削弱接头强度，降低焊接接头的力学性能，引起应力集中。应力集中是指当材料受力时材料表面及内部缺陷处的应力远大于平均应力的现象。对于组织均匀的脆性材料，应力集中将大大降低构件的强度。特别是低合金高强钢的焊接，咬边的边缘组织被淬硬，易引起裂纹。应力集中系数K的计算公式为K=σmax/σs。式中σmax为焊缝区咬边缺陷处的最大等效应力值，单位为MPa。σs为焊缝区（不含咬边缺陷）等效应力值，单位为MPa。不同深度的咬边引起的应力集中程度不同，越深的咬边应力集中系数越大。

二、案例分析

1.有限元计算。（1）压力管道有限元模型。以某水电站压力管道为实例,钢管外径1 368 mm,內径1 300 mm,外焊缝宽度40 mm,加强高10 mm,内焊缝宽度20 mm,加强高5 mm;材料弹性模量E=2.06×105 MPa,泊松比υ=0.3;管道内水压P=6.468 MPa根据压力管道钢管的几何形状和受载荷条件,取其横截面的四分之一,建立有限元计算模型,在管壁内外焊缝处布置了不同深度和不同宽度的咬边缺陷,用以计算焊接接头的应力分布及由咬边缺陷引起的应力集中系数。（2）应力集中系数及咬边缺陷锐度。应力集中系数K的计算公式为K=σmax/σ0,式中:σmax为焊缝区咬边缺陷处的最大等效应力值,MPa;σ0为焊缝区(不含咬边缺陷)等效应力值,MPa。定义焊缝咬边缺陷的深度H与宽度W之比为咬边锐度S,即S=H/W。（3）外管壁焊缝咬边缺陷应力集中系数的计算。在钢管的纵焊缝外侧,建立相同宽度、不同深度的咬边缺陷模型,不同深度的咬边引起的应力集中程度不同,越深的咬边应力集中系数越大。对于同宽度、不同深度的咬边缺陷,锐度越大应力集中系数越大。（4）内管壁焊缝咬边缺陷应力集中系数的计算。在钢管的纵焊缝内侧,建立相同宽度、不同深度的咬边模型。对于同宽度、不同深度的咬边缺陷,锐度越大应力集中系数越大。比较管壁内外两侧相同几何尺寸的咬边缺陷,内焊缝咬边缺陷的应力集中系数更大。（5）打磨工艺对咬边缺陷应力集中程度的影响。根据焊接质量控制的相关规定,稍有不连续咬边,如果不形成尖锐的缺口则允许存在。对于浅型咬边,打磨成平滑过渡即可。对压力管道纵焊缝外侧出现的深度为5 mm、宽度为6 mm的咬边进行打磨,形成不同宽度咬边,计算其应力集中系数。经过打磨后咬边锐度减小了,应力集中系数也减小了。同样,对压力管道纵焊缝内侧出现的深度为5 mm、宽度为6 mm的咬边进行打磨,形成不同宽度咬边,计算其应力集中系数。经过打磨后,咬边锐度减小了,应力集中系数也减小了。以上分析表明,咬边缺陷经打磨后,可以降低缺陷处的应力集中程度。

2.计算结果分析。当压力管道焊接接头不存在缺陷时,焊缝区承载截面相对较大,如焊缝余高和焊趾处过渡圆弧取得合理,接头受力比较均匀,应力集中系数一般很小;当焊接接头存在咬边缺陷时,管道焊缝区有效承载面积减小,单位截面应力增加,再加上咬边缺陷引起的应力集中,在咬边区域将产生较高的局部应力,从而降低压力管道的承载能力。当管壁出现咬边缺陷时,在咬边缺陷处将产生较高的应力集中,咬边的深度越大,应力集中系数就越大。这是因为承受较大内压载荷的管道结构,在管壁内除产生轴向力和径向力之外,还要产生较大的环向应力,而环向应力使咬边处产生较大应力集中。经过打磨,应力集中系数变小,这主要因为咬边缺陷锐度减小,过渡变得圆滑,于是应力集中系数变小。对比管壁内外两侧咬边的应力集中系数发现,内管壁的咬边引起的应力集中系数相对较大。这是因为环向应力在管壁厚度方向的分布是不均匀的,越接近内管壁环向应力值越大;其次,管壁内侧咬边表面承受着来自管道内部的水压,使咬边缺陷周围应力值进一步增大。

三、产生焊缝咬边的原因

1.铆工拼点槽钢时，工艺上要求不留间隙。实际生产中由于槽钢的变形，间隙一直存在，间隙最大达3mm。不将间隙填充饱满而直接进行成形焊接会使槽钢温度过高，当槽钢被高温熔化时间隙随之增大。这时降低焊接速度将使间隙越来越大，提高焊接速度将使间隙的填充量不足。所以，槽钢间隙不进行填充会形成咬边。

2.焊接电流过大（大于280A）会使槽钢焊接区局部温度过高，熔池表面液体的张力过大，使液体向熔池中心流动，导致焊缝产生咬边。

3.焊接时焊丝角度不正确，坡口边缘被熔化而未被填平。当槽钢与转台主体有间隙时，焊丝若角度过大（焊丝与转台主体钢板所呈角度大于60°，而与槽钢所呈角度小于30°），转台主体母材的熔深将增大，而槽钢边缘却未被完全熔合，这就会出现转台主体钢板与槽钢均咬边的现象。

4.焊接速度过大时，熔化的焊丝未来得及填满熔池便向前流动，造成咬边。

5.控制措施。（1）铆工拼点。拼点时要严格执行工艺规范，将间隙控制在2mm以内。槽钢若出现上挠变形，应使用螺旋丝杠将槽钢上挠部位与转台主体钢板压紧、贴实，然后铆工将槽钢点焊牢固。点焊时，槽钢两侧各点三点，分别点在头部、中部和尾部，点焊应是20mm左右的细焊道，这样既不影响整体焊道的成形，又使槽钢更加牢固。（2）正确调节焊接电流和电压。铆工拼点结束后若槽钢与转台主体钢板仍存在间隙，应先用较小的焊接电流和电压将间隙填充一遍，有时间隙很大，一遍填充量不够，就需要进行第二遍填充，填充结束后进行成形焊接。（3）控制焊丝角度。填充结束进行成形焊接时，焊丝应与焊缝两侧母材各呈45°角。

四、焊后出现咬边时可以进行焊后处理

1.一般情况下都用砂轮机打磨然后补焊，做到圆滑过渡就可以。定义焊缝咬边缺陷的深度H与宽度W之比为咬边锐度S，即S=H/W。对槽钢焊缝出现的深度为5mm，宽度为6mm的咬边进行打磨，形成不同程度咬边，计算其应力集中系数。经过打磨后咬边锐度减小了，应力集中系数也减小了。也就是说咬边缺陷经过打磨后，可以降低缺陷的应力集中程度。补焊时应将电流调小至180A-200A，电压为20-22V；焊丝置于咬边母材一侧，与母材呈现30°角，沿原焊道咬边处走直线并摆动焊枪，将咬边产生的沟槽补焊均匀，然后再用砂轮机修磨即可。

2.检验。焊后进行外观检验后，焊道成形良好，未出现焊道咬边的现象。

总之，咬边缺陷边缘区域将产生较高的应力集中,应力集中系数的大小与咬边的锐度、咬边的位置有关。

参考文献：

[1]刘博弈，焊接工程缺欠分析与对策.2020.

[2]陈宏宇.浅谈转台槽钢焊接咬边的原因及控制措施.2022.