矿用自卸车车架焊接工艺研究

矿用自卸车车架焊接工艺研究

步维富,李志东

内蒙古电投能源股份有限公司矿山机电设备检修公司 内蒙古通辽市029200

摘要：矿用自卸车是用于矿石或土方运输的专业设备，其载重大，运程短，工作效率高。车架作为自卸车主要部件，主要用作支撑及安装固定，负责货物承载和其他系统部件的布置。因整车自重及载重大，车架需承受较大疲劳载荷，加上恶劣的环境和复杂路况易导致车架开裂，从而缩短其使用寿命。基于此，本文重点论述了矿用自卸车车架焊接工艺。

关键词：矿用自卸车；车架；焊接工艺

随着生产发展及科技进步，矿用自卸车设计及制造正朝着规模化、轻量化方向发展，对钢材强度、性能和焊接水平要求越来越高。由于大多数矿用自卸车在环境恶劣中运行，道路崎岖的严寒地区大型矿山，其使用寿命在很大程度上取决于关键受力构件-车架寿命。车架通常由低合金高强度钢焊接而成，其冷作与焊接质量直接决定了车架寿命，所以提高车架焊接工艺水平对延长矿用自卸车使用寿命意义重大。

一、车架受载特性

矿用自卸车车架是整车骨架，其大部分结构部件与总成通过车架固定其位置。其承受来自上部结构的自重、物料质量、装载或卸载物料时瞬时冲击力、在崎岖道路上行驶时的随机颠簸力、刹车时惯性力、转弯时产生侧向力等，由于运行时的早期开裂现象，车架受弯曲、扭转、剪切、共同作用下复杂应力，极大地影响了矿用自卸车使用寿命。

二、矿用自卸车车架性能要求

车架作为矿用自卸车的关键承载部件，在装载、运输、卸载货物时起着重要承载作用。车架性能直接影响着整个矿用自卸车使用性能与寿命，同时也体现了整个车辆的技术水平。车架的上面装载有发动机、行驶系、传动系、制动系、车厢等主要部件，是整个矿用自卸车的主要承载部件。当矿用自卸车在崎岖不平的路面行驶工作时，由于紧急制动、转弯、颠簸等，车架会发生扭曲变形、垂直平面内的弯曲变形等；当矿用自卸车的一边轮胎或一个轮胎遇到障碍出现悬空或突起时，会使车架两边的纵梁产生较大变形，垂直平面内产生相对位移，进而改变各部件间的相对位置，能使接触的部件磨损消耗加剧。因此，矿用自卸车车架的动力性能、刚度、强度等对整个车辆的使用性能与寿命、安全性有较大影响。

三、矿用自卸车车架材料选型

矿用自卸车车架材料选型要兼顾性能和强度，包括屈服与抗拉强度、焊接性能等，为减轻车架自重，降低整车成本，要选择合理钢板材料，以提高车架可靠性及易维修性。

在载荷一定情况下，结构刚度取决于结构的构造形式与材料类型，反映在计算中，整体刚度矩阵与弹性模量，对于铁基材料(铁素体钢、奥氏体钢及铁基超合金)，弹性模量极为接近，约200GPa，由于当前自卸车覆盖件材料均为铁基材料，结构形式便成为影响结构刚度的主要因素。

矿用自卸车车架材料究竟选择高强钢还是普通钢，不同厂家有不同做法，高强钢能在很大程度上实现矿车减重目的，这也是很多车型仍使用高强钢的原因。

以400吨级自卸车为例，高强钢带来的自重减轻，作为后入市场者，若将550MPa材料改成345MPa，矿车自重将大幅增加，造成竞争力下降。虽该种钢材具有高边缘敏感度，焊接困难，但在车架强度比耐久性更重要情况下，倾向于选择使用该材料，使用这类钢材需额外当心焊接接头，焊接后使用打磨或增强疲劳寿命的技术处理时，表现良好。实践证明，屈服强度在550～690MPa的高强度钢用在矿车上较合理。

尤尼瑞格的车架材料虽类似于美标A656-80，但属于定制牌号，降低了硫含量，并由“可控轧制”制造，具有很好焊接性和耐疲劳特性。国内宽体自卸车大多为铆接车架，是借鉴重卡行业的铆接式结构，采用铆钉和螺栓连接，焊接量少，材料选用510L、610L、T700等低合金高强钢，虽焊接性能差，焊接工艺严格，但质量轻并具有较高强韧性和良好塑性；国内刚性自卸车大多为焊接车架，车架材料主要选用Q345，其属性一般可通过热轧过程，使其脱氧、晶粒细化获得，例如ASTM A572等级50和60，ASTM A607，与世界各地生产的钢匹配良好，其典型的机械性能往往会比指定最小值高10～20%，提供了良好的抗冲击性和低的缺口敏感性，此种钢材往往加工硬化，易于焊接，此种钢材的疲劳寿命和通常用在运输卡车车架焊缝的预期寿命更紧密地一致。

四、矿用自卸车车架焊接工艺

1、焊接性分析。①材料力学性能和化学成分。低合金高强度钢WCF-62是一种具有高强度和低裂纹敏感性的钢，即使在焊接前未预热或稍微预热，也不易产生裂纹，具有优异的焊接性能及低温韧性。②碳当量。碳当量是基于钢材化学成分判断其焊接性能的指标，通常经验表明，当碳当量小于0.4时，焊接性良好；在0.4～0.6范围内，焊接时淬硬倾向逐渐增加。通过计算可知，WCF-62钢中碳当量等于0.427时，具有良好焊接性。③焊接应力。焊接时，焊件局部受热不均是产生焊接应力根本原因。根据焊接件空间位置与相互关系，焊接应力可分为单向、双向、三向应力。其中，单向应力对焊接强度影响不大，而双向和三向应力状态复杂，对焊缝金属强度和冲击韧性影响较大。④扩散氢。因低合金高强度钢板厚，坡口深，焊接过程中冷却速度快，焊缝中扩散氧不易逸出，导致焊缝中扩散氧增加。在淬硬组织、扩散氢和焊接应力作用下，易产生冷裂纹。

2、坡口形式和尺寸设计原则。①易于操作，确保焊根及其剩余各层焊道质量。②减少填充金属量，以降低焊接应力，减少焊接变形。③对工程焊接应有良好适应性。

3、焊接工艺方法。使用埋弧焊焊接车架，焊接材料采用新型J607焊条。

4、焊前预热和后热。焊前预热能降低冷却速度和焊接区温差，降低淬硬组织和焊接应力，也有利于扩散氢在焊缝中的逸出，防止冷裂纹的发生。预热温度为50～100℃。使用重熔枪(SPH-C)淬硬组织加热法对车架焊接预热及后热，应在焊至15～20mm停止施焊后后热，其使用简单，能满足工艺要求，比电加热器等更易推广。

5、焊前近缝区保护。当车架在焊前近缝区未得到保护时，焊后很难清除车架焊缝附近飞溅物，这将损害车架表面质量，并且若坡口处未保护，在焊前也会生锈及污染，直接影响焊接金属质量。因此，通常在车架焊前喷丸或喷砂，以及坡口加工后，在近缝20～30mm范围内涂抹清洁剂或防锈焊接性涂料。

6、焊接应力消除。采用共振时效法消除车架焊接应力，只需热处理1%能量、10%成本即可消除50～80%残余应力，精度比热处理时效高1倍以上。

7、车架结构工艺改进。当翼板两侧开坡口时，车架纵梁翼板及腹板焊接有利于坡口加工，但焊口施焊困难，纵梁弧形位置的主焊缝质量也很难保证，所以将坡口改开在腹板上，并增加永久焊垫，以确保主焊缝在平焊位置施工，提高施工效率及焊接质量。

另外，考虑到车架腹板在焊接中易发生内凹变形，导致在组装过程中要使用L形垫块将纵梁搭焊在腹板上，设法把凹坑排除后强制组装，然后气割垫块磨修焊痕，然而，这在低合金高强度钢的焊接中是不允许的。为消除腹板内凹变形，在纵梁小横梁间增加46根直径为25mm的永久垫棒，并且将该方法应用于龙门梁上，解决了腹板与龙门梁焊后变形问题。

五、结论

1、采用上述焊接工艺对矿用自卸车车架焊接时，焊接效果好，焊缝成形美观，焊缝金属力学性能≮600MPa，完全满足设计使用要求。

2、改进焊前近缝区保护方法，节省了焊后清理时间，提高了焊接接头质量，车架结构工艺改进确保了其质量，而且无需增加投资。

3、现场实测车架静动态应力水平不高，表明车架强度储备大。经检验，矿用自卸车车架焊缝一次合格率为100%，焊接质量优良。

参考文献：

[1]赵彭生.低舍金结构钢焊接热影响取最大硬度估算[J].太原工业大学学报，2016(03):5-13.