浅析半挂车车架的主要焊接缺陷及质量控制

2014-11-22杜文学

机械工程师 2014年1期

杜文学

（滁州兴扬汽车有限公司，安徽滁州 239064）

0 引言

半挂车车架焊接缺陷是整车焊接结构最严重的工艺缺陷之一，会直接影响到半挂车整车的产品质量，甚至会导致突发性交通事故，因此有必要对半挂车焊接缺陷进行分析研究。

半挂车产生焊接缺陷与焊接过程的冶金因素和使用过程中的力学因素有很大的关系，所以缺陷的形态与制造及使用过程中其产生的条件之间有直接的联系，从焊接的形态、起源与扩展及影响因素等进行深入分析，对防止半挂车焊接缺陷和保证半挂车结构的质量稳定性是十分重要的。

1 焊接缺陷

1.1 形状缺陷

形状缺陷，即构件焊接中的物理结构残缺，它包括：裂纹、孔穴、固体夹杂、未熔合和未焊透等一系列因素，其中裂纹是半挂车焊接主要缺陷。

1）焊接裂纹成因。导致裂纹产生的原因是多方面的，主要体现在焊接过程中产生的力学因素和冶金因素两方面。裂纹产生的力学因素主要为拘束应力，半挂车各部件焊接过程中由于焊缝截面远小于构件的截面，而且各部件形状大小不一，焊缝错综复杂，因此拘束应力和拘束变形将集中在截面比母材小很多并且变形相对容易的焊接区内，拘束度越大，焊接区域承受的拘束应力和应变越大，造成焊接裂纹的危险性也越大。

2）对结构性能的影响。半挂车车架裂纹是整个车体最危险的缺陷，破坏事故大部分都是由焊接裂纹所引起的，其危害是减少了焊接接头的工作截面，因而降低了焊接结构的承载能力,构成严重的应力集中，降低了结构的抗疲劳强度。半挂车的工作环境复杂，表面裂纹能藏污纳垢，从而容易造成或加速结构的腐蚀，而使部件断裂。

1.2 焊接残余应力和变形

焊接残余应力和变形是因焊接过程中因材料热变形而形成内部应力集中而残存，同时也因其释放而促使构件变形。

1）焊接残余应力和变形的成因。半挂车零部件焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程，在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及其附近温度最高，可达1600℃以上，而邻近区域温度则急剧下降，这样不均匀的温度场产生不均匀的膨胀，温度高的钢材膨胀大，但受到两侧温度较低、膨胀量较小的钢材所限制，产生热塑性压缩，同时焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩短，但受到两侧钢材限制，以及后焊焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制，从而出现内部应力。在焊接过程中，由于不均匀的加热及冷却，使构件在纵向和横向收缩，导致构件产生鼓曲、弯曲、歪曲和扭转等变形。

2）焊接残余应力和变形对结构工作性能的影响。由于残余应力的存在，降低结构的刚度，在外力作用下变形将会加大；对低温冷脆影响极大，使裂纹容易发生和发展；焊缝及其附近的主体金属残余应力通常接近钢材的屈服点，此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域，明显影响结构的疲劳强度。

2 焊接质量控制

半挂车生产要求全面焊接质量控制，即要求产品从设计、制造、一直到出厂后的销售服务等所有环节都要实行焊接质量保证和质量控制，半挂车焊接质量的控制包括完善企业技术装备、提高操作人员的素质及严格管理的焊接技术，目的是获得无缺陷的半挂车焊接结构，满足半挂车焊接产品在实际使用过程中的要求，特别是焊接设计和施工至关重要。

2.1 结构设计

作为半挂车焊接结构的设计，必须考虑分析其具体结构形式、技术及制造条件，除此之外还应该考虑材料的焊接性能和焊接接头的分布。合理的选择焊缝的尺寸和形式，在保证结构的承载能力的条件下，设计时应该尽量采用较小的焊缝尺寸，因为焊缝尺寸大，不但焊接量大，焊缝的焊接应力和变形也大；合理安排焊缝的位置，以避免焊缝的过分集中和交叉，尽量减少不必要的焊缝；充分考虑保证焊接工艺的可实施性，各种检测的可行性，焊接变形是否易于控制，焊接操作是否方便、安全，能否保证焊接质量。必须设计合理的接头形式，其几何形状应该尽可能不干扰应力分布，尽可能避免截面上有突变的的接头，尽量避免在有应力叠加或应力集中的区域内布置焊缝。

2.2 母材与焊接材料

1）母材的选用。焊接结构件的选材，应该根据其使用性能、焊接工艺性能和经济性三个条件进行，具体的选材原则为：（1）在满足技术要求的前提下，应该尽量选用强度级别较低的材料；（2）根据结构的使用条件，尽量选用汽车专业用的板材；（3）在焊接工艺不能改变的条件下，尽量选用焊接性能好的材料；针对以上原则，半挂车的材料基本上选用低合金高强板16Mn，和普通碳素钢Q235，基本满足使用要求。

2）焊接材料。半挂车焊接时主要根据母材的性能、接头的方式和工作条件选择焊条，半挂车焊接主要是按照“等强匹配原则”选择焊条的强度级别，次要件选用酸性焊条J422，而重要件选用碱性焊条J506。

2.3 焊接方法和工艺

焊接接头的施焊位置、焊接方法和焊接材料都对焊接后的材料性能产生较大的影响，所以正确地采用相应的焊接方法和工艺是直接关系到整个半挂车焊接质量的重要因素。

1）焊接方法的选择。技术水平、生产设备、材料消耗均影响焊接方法的选用，半挂车生产中，选择焊接方法应该在保证半挂车产品质量的前提下以及能满足生产需要的情况下，应该尽量选用要求技术水平低、生产设备简单、成本低和材料消耗少的焊接方法，以提高经济效益。半挂车结构较复杂，焊缝长、大，工字钢应该采用埋弧自动焊，其他横梁等短焊缝选用手工电弧焊，一般小件采用气体保护焊。

2）焊接施工的控制。正确的焊接结构设计、合理的焊接工艺，都要通过施工来实现，因此要求施工者严格执行焊接工艺和生产工艺规程，以便保证焊接质量。

（1）母材。施焊前，距焊缝坡口25 mm区域内不得有油污、油脂、氧化物或其它杂质存在，在用除油剂除去油污、油脂后，用清水或用化工试剂彻底擦洗；邻近焊缝的材料的表面应有适当的保护措施，以防止焊接过程中的飞溅或其它物件沾污或擦伤本体表面；所有对接焊缝的两端应装有引、熄弧板；所有对接焊缝坡口深度较大的一面均应先焊。

（2）焊接材料。为确保焊接质量，焊条在使用前应该进行烘干（焊条说明书中声明不需要烘干或不能进行烘干的焊条例外），且焊条一般应该随烘随用，焊条不能重复烘。

（3）焊接工艺。根据设计要求，选择合适的焊接电流和行走速度，采用合理的施焊次序和方向，对于大的部件焊接可采用反变形法，焊后由于本身的收缩变形，恰好达到所需要的正常状态，工字钢等重要受力件在焊接前可采用预热，就是在焊接前把焊件整体加热到合适的温度，从而减小焊件施焊部位与其它部位的温度差，预热温度为200～250℃左右。对焊后零件设法保温（如置于石棉灰或生石灰粉中），让焊件缓慢冷却，以消除内应力，在工字钢焊接后不要急于清理焊剂，以保温一段时间。采用合理的施焊次序，如分段逆向对称法，对于较长的纵梁和横梁的焊缝，将焊缝分成若干对称小段，标明次序，由两侧向中心施焊，或中心向两侧施焊。要根据焊缝长短选用分段焊或间跳焊，对于其余各小段的焊接，可按首尾相接的方法进行，先焊短的，后焊长的；先焊壁厚的后焊壁薄的；先焊主焊缝后焊次要焊缝；先焊对称部位焊缝后焊非对称焊缝，先焊收缩量大的焊缝后焊收缩量小的焊缝，先焊对接焊缝后焊角焊缝等。

2.4 焊后处理

在焊装完工后，因形状因素、残余应力和变形而导致半挂车相关部件疲劳断裂，为此需要进行焊后处理。焊后应仔细清理焊件表面的焊渣、焊瘤飞溅物及其他污物，必要时应对焊缝进行局部修整。通过机械处理，以改变和改善残余应力的分布来减少由焊接引起的应力集中，首先焊缝处在赤热状态时，用小手锤敲打焊缝，以抵消焊缝金属及热影响区金属的收缩力，从而减小或消除内应力、减小或矫正变形，锤击时尽可能地向焊缝的横向锤击，使焊缝金属尽可能横向伸展。并且锤击要稠密、轻快而均匀。其次，采用施力矫正，就是一般利用千斤顶之类的一些专用设备设法造成新的变形来补偿抵消已经发生的变形。加热矫正，选择适当部位加热到一定的温度，通常达到600～800℃后冷却退火，以减少残余应力，防止裂纹产生。同时也可以利用不均匀的加热使结构局部获得反向变形来改善原来的焊接变形。也应当注意，改善某项性能的焊后处理措施可能对另一性能产生有害的影响。