挖掘机动臂焊接工艺分析设计

摘要

随着国内工程机械行业的快速发展,挖掘机市场的竞争也日趋激烈,各主机厂不但从成本上,也在质量上展开了激烈的竞争。动臂部分,作为挖掘机最重要的承载结构,在工作中承受着绝大多数的载荷,是最常发生故障的部分,而其中尤以动臂的失效影响最大,动臂质量成为影响整机产品可靠性的因素之一。我国生产的挖掘机从仿制开始起步，近期产品的质量较早期有所提高。但受国产对挖掘机的焊接质量及设计水平等的影响，我国目前生产的挖掘机的总体水平，与进口产品及港口用户的要求仍有较大差距，焊接工艺之间的差距尤为明显，为满足市场及焊接工艺需求，对挖掘机焊接工艺进行深层次的研究和分析势在必行！

本毕业设计课题来自于企业的生产实际，通过对挖掘机焊接工艺进行分析和设计，掌握挖掘机焊接的整个生产流程，培养工程意识。随着国家经济的繁荣及基础建设的飞速发展，挖掘机的应用及需求日益增长。然而在挖掘机生产制造过程中的动臂焊接工艺成为挖掘机整机质量及性能的重要决定因素，焊接变形的控制对挖掘机动臂焊接工艺有着重要的意义。

关键词：行业；挖掘机；焊接工艺；意义

Abstract

For a lot of special places, like the risk is very big, or we are difficult to reach, such as disarm bombs, unknown corresponding domains such as detection, probing deep of more dangerous situation usually need to implement the robot.It’s a main part of robot for micro pedipulator, walking robots and more than six feet, compared to the eight legged robot, because of strong bearing capacity, good stability, which the meritss is simple construction, So a large number of researchers around the world, start .This paper mainly to the four bar mechanism as the main execution elements to design of micro walking the whole scheme of the four bar mechanism.

Its principle is diagonal synchronization, leg activity by the structure of the crank rocker, front leg movements around the same, it detailed performance curve characteristics of the connecting rod,when the curve trajectory diagonal straight line segment, the robot is stationary, the motion trajectory when the diagonal curve is slanting line do the walking.

Keywords：Manufacturing ,Location, Clamping, Process

目录

摘要.............................................................. I Abstract ......................................................... II 1绪论 (1)

1.1国内外研究现状 (1)

1.2挖掘机的分类 (3)

1.3本课题研究的主要内容 (5)

2挖掘机动臂结构的设计 (7)

2.1挖掘机动臂的组成结构 (8)

2.2挖掘机动臂的工作原理 (9)

3挖掘机动臂的焊接工艺分析 (10)

3.1挖掘机动臂用材料及其焊接性 (11)

3.2焊接冷裂纹 (12)

3.3冲击韧性 (12)

3.4挖掘机动臂焊接材料、工艺方法及装备 (13)

3.5焊接材料选择 (14)

3.6工艺方法及装备 (15)

4挖掘机动臂焊接变形控制 (15)

4.1焊接变形的主要形式及产生原因 (16)

4.2控制焊接变形的方法 (17)

结论 (18)

致谢 (19)

参考文献 (20)

1 绪论

1.1 国内外研究现状

焊接自动化主要是指焊接生产过程的自动化，其主要任务就是：在采用先进的焊接、检验和装配工艺过程的基础上，建立不需要人直接参与焊接过程的焊接加工方法和工艺方案，以及焊接机械装备和焊接系统的结构和配置。2006年年底全世界服役的各类挖掘机超过6800万台。相比之下，美国挖掘机的数量到2001年达到1040台，其中弧焊机器人占49%，点焊机器人占47%，尤其说随着信息技术、计算机技术、自动控制技术的发展和应用，近10年来，在发达的工业国家，例如德国，日本等，焊接设备的发展更是飞速，英、美、德和日本等过均有相当规模、先进的焊接设备生产企业，西方资本主义国家对于挖掘机的焊接工艺进行了长时间的研究和尝试，通过采用例如焊接机器人等以下的焊接工艺，使挖掘机的焊接工艺达到了世界一流水平。

1）高精度、高速度、高质量、高可靠性。由于焊接加工越来越向着“精细化”加工方向发展，因此，焊接自动化系统也向着高精度、高速度、高质量、高可靠性方向发展。这要求系统的控制器及软件系统有很高的信息处理速度，电气机械装置有很好的控制精度。如，机器人和焊接操作机行走机构的定位精度可达0.1mm，移位速度的控制精度可达0.1%。

2）集成化。焊接自动化系统的集成化技术包括硬件系统的结构集成、功能集成和控制技术集成。现代焊接自动化系统的结构都采用模块化的设计，根据不同用户对系统功能的要求，进行模块的组合。而且其控制功能也采用模块化设计，根据用户需要，可以提供不同的控制软件模块，提供不同的控制功能。

3）智能化。将现今的传感技术、计算机技术和智能控制技术应用于焊接自动化系统中，使其能够在各种复杂环境、变化的焊接工况下实现高质量、高效率的自动焊接。智能化的焊接自动化系统，不仅可以根据指令完成自动焊接过程，而且可以根据连续实测焊接工件坡口宽度，确定每层焊缝的焊道数及相关参数、覆盖层位置等，而且从坡口底部到盖面层的所有焊道均由焊机自动提升、变

道、完成焊接。

4）柔性化。大型自动化焊接装备或生产线的一次投资相对较高，在设计这种焊接装备时必须考虑柔性化，形成柔性制造系统，以充分发挥装备的效能，满足同类产品不同规格工件的生产需要。

5）网络化。由于现代网络技术的发展，也促进那里焊接自动化系统管控一体化技术的发展。通过网络，利用计算机技术、远程通信技术等，将生产管理和焊接过程自动控制一体化，实现脱机编程，远程监控、诊断和检修。

国内研究现状：

我国在焊接领域起步较晚，特别是对挖掘机进行焊接的操作，九十年代随着重工业的发展，焊接设备也主要从前苏联引进。发展到同苏联断交的七十年代，我国才陆续加强了在焊接领域的重视，建设了主要的焊接设备制造厂。

随着经济的发展，尤其是改革开放之后的几年，在制造业中焊接成为重要的加工工艺方法之一，广泛用于机械制造、航空航天、能源交通、石油化工、建筑等行业。也就是基于此，我国对焊接相关设备的需求急速增长，各地相继建立了许多中小型的焊接设备生产厂。发展至今，我国已有10多家焊接设备生产企业，其中多数已实现大批量的生产。

在发展初期，我国生产的焊接设备大多是比较简单的焊接操作机、滚轮架、变位机、翻转机等，多数都是人工或少数的半自动性质，在自动化程度上比较低。进入80年代后，在我国大量引进成套焊接设备下，促使我国在焊接方面的成套性、自动化、设备精度等有了很大的提高。在自动化焊接技术方面如机械控制技术、PLC控制技术以及数控系统，焊接的自动化程度有了很大进步。

在焊接领域，我国同国外先进国家还是有很大差距。在20实际80年代初期，挖掘机的应用在先进工业国家开始普及，1996年年底全世界服役的各类挖掘机超过68万台。其中，焊机机器人大约为一半以上。相比之下，我国挖掘机的数量到2001年达到1040台，其中弧焊机器人占49%，点焊机器人占47%。尤其说随着信息技术、计算机技术、自动控制技术的发展和应用,近10年来，在发达的工业国家，焊接设备的发展更是飞速。如英、美、德和日本等过均有相当规

模、先进的焊接设备生产企业。在2001年的第十五届实际焊接与切割博览会上参展的焊接设备厂商多达百家。当下，多数焊接设备采用最先进的自动控制系统、智能化控制系统和网络控制系统等。广泛采用焊机机器人作为操作单元，组成焊接中心、焊接生产线、集成制造系统。

此外，在绿色观念的倡导下，由于焊接本身对环境和人体带来的伤害，加之我国当下焊接的手工化依然广泛存在，寻求新的--环保型的焊接材料也是人们关注的一个焦点。

1.2 挖掘机的分类

按照驱动方式的不同，挖掘机可以分为内燃机驱动挖掘机、电力驱动挖掘机；按照规模大小的不同，挖掘机可以分为大型挖掘机、中型挖掘机、小型挖掘机；按照行走方式的不同，挖掘机可分为履带式挖掘机、轮式挖掘机；

按照传动方式的不同，挖掘机可分为液压挖掘机、机械挖掘机；

按照用途的不同，挖掘机可分为通用挖掘机、矿用挖掘机、船用挖掘机、特种挖掘机等不同类别；

按照铲斗的不同，挖掘机可分为正铲挖掘机、反铲挖掘机、拉铲挖掘机、抓铲挖掘机。传统的挖掘机如下图所示：

1.3 本课题研究的主要内容

本课题是对挖掘机焊接工艺分析。具体包括以下内容：

(1)介绍挖掘机机动臂的结构原理，合理地设计和改善其焊接工艺等，确定挖掘机机动臂的结构。

(2)对确定好的挖掘机机动臂进行机械结构设计。

(3)挖掘机动臂的材料选择及其焊接工艺分析。

2 挖掘机动臂结构的设计

2.1 挖掘机动臂的组成结构

本次设计的挖掘机动臂主要由安装板，上、下封板，吊耳等组成。其组成结构图如下图1-1所示：

1-1 挖掘机动臂组成结构图

2.2 挖掘机动臂的工作原理

液压挖掘机主要由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成。液压系统由液压泵、控制阀、液压缸、液压马达、管路、油箱等组成。电气控制系统包括监控盘、发动机控制系统、泵控制系统、各类传感器、电磁阀等。液压挖掘机一般由工作装置、回转装置和行走装置三大部分组成。根据其构造和用途可以区分为：履带式、轮胎式、步履式、全液压、半液压、全回转、非全回转、通用型、专用型、铰接式、伸缩臂式等多种类型。工作装置是直接完成挖掘任务的装置。它由动臂、斗杆、铲斗等三部分铰接而成。动臂起落、斗杆伸缩和铲斗转动都用往复式双作用液压缸控制。为了适应各种不同施工作业的需要，液压挖掘机可以配装多种工作装置，如挖掘、起重、装载、平整、夹钳、推土、冲击锤等多种作业机具。回转与行走装置是液压挖掘机的机体，转台上部设有动力装置和传动系统。发动机是液压挖掘机的动力源，大多采用柴油要在方便的场地，也可改用电动机。液压传动系统通过液压泵将发动机的动力传递给液压马达、液压缸等执行元件，推动工作装置动作，从而完成各种作业。

3 挖掘机动臂的焊接工艺分析

3.1 挖掘机动臂用材料及其焊接性

目前挖掘机焊接动臂所采用的钢材大部分为低合金钢，其中Q345(16Mn)的应用最广泛，其它还包括国产的Q235、Q295、HQ60、HQ100等日本产SS400、SM490等，美国T-1，德国STE690。下表是Q345的化学成分及力学特性：

表1. Q345的化学成分及力学特性

钢的焊接性是指钢对焊接加工的适应性，即在一定的焊接工艺条件下，获得优良焊接接头的难易程度（工艺焊接性），以及材料在施工条件下，焊接成按规定要求设计的构件，并满足预先服役要求的能力（使用焊接性）[1]。焊接性受母材、焊接方法、构件类型及使用要求四个方面因素的影响。工艺焊接性是指材料经焊接加工后形成完整焊接接头的能力，通常以材料对形成诸如裂纹、气孔等焊接缺陷敏感性的大小，以及所采取的工艺措施的复杂程度来比较工艺焊接性的优劣。使用焊接性是指材料经焊接加工所形成的焊接接头能满足产品制造技术条件及安全服役要求的程度，结构及其所采用的材料不同，具体要求和指标也不同。

3.2 焊接冷裂纹

由于裂纹是最危险的焊接缺陷，生产中常常把焊接裂纹作为重要的考核项目，对低合金钢而言，热影响区淬硬倾向大的钢因急冷易产生焊接冷裂纹，严重

降低接头的塑形。决定这类钢的热影响区淬硬性的主要因素之一是碳当量CE。碳当量CE计算公式为：

CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15[2]

经验表明，当CE＜0.4时，钢材的淬硬倾向不大，焊接性优良，焊接时不预热；当CE=0.4%～0.6%时，钢材的淬硬倾向增大，焊接时要采取预热，控制焊接工艺参数、缓冷或消除扩散氢等工艺措施；当CE＞0.6%时，钢材的淬硬倾向强，属于难焊的钢材，需要采取较高的余热温度和严格的工艺措施。挖掘机主体用钢Q345的碳当量计算过程为：CE=0.02+1.6/6+0.15/5=0.32＜0.4，故挖掘机主体结构部分焊接性较好，焊接冷裂纹敏感性小，无需采取预热和缓冷等工艺措施。

3.3 冲击韧性

母材和焊接区如有如有足够的强度、塑形和缺口韧性，则表明焊接结构具有可靠的使用性能。对低温下服役的挖掘机焊接动臂，其V型缺口冲击值的下限值要达到所规定的温度韧性保证值，以防止结构在载荷下的脆性破毁。特雷克斯系列挖掘机动臂主体材料Q345D的焊接接头冲击试验值如下表：

表2.Q345D钢焊接接头冲击韧性

焊接区特别是焊接过热区的的冲击韧性，由于热输入影响会使其下降。因此在焊接过程中应合理选择规范，尽量控制合理的焊接热输入。

3.4 挖掘机动臂焊接材料、工艺方法及装备

3.4.1 焊接材料选择

挖掘机动臂焊接材料的选择要根据结构材料的化学成分、力学性能、焊接工艺性、使用工况、焊接件的形状复杂程度及刚性、现场焊接设备和环境等因素综合考虑。具体的原则如下几方面：

（1）等强或低强度匹配原则，一般按照挖掘机动臂用钢的强度来选择相应强度等级的焊接材料，有时对受力情况复杂的焊接结构，也选用比母材强度等级低一级的焊接材料。

（2）选用低氢焊接材料，为了改善挖掘机动臂焊接接头的抗冷裂性能，要求采用低氢焊接材料，即焊条电弧焊采用低氢型焊条，二氧化碳气体保护焊焊丝要选择扩散氢含量低的焊丝，一般来说药芯焊丝的扩散氢含量高于实芯焊丝，所以优先考虑使用实芯焊丝。

（3）工作条件和使用性能，低温温工况使用的选用低温用钢焊接材料，受振动载荷和冲击载荷的要选用强度、塑性、韧性高的焊接材料。

（4）操作工艺性，根据焊缝空间位置选用适合平焊、立焊、仰焊以及全位置焊接材料。

3.4.2 工艺方法及装备

选择焊接方法应兼顾焊接制造质量和生产效率，目前挖掘机动臂焊接普遍采用二氧化碳气体保护焊，采用自动或半自动二氧化碳气体保护焊工艺的占70%以上，有些动臂焊接生产为了提高效率还采用焊接专机、焊接机器人，目前大量焊接机器人工作站用于斗杆、铲斗、动臂以及履带架的焊接。

图1.挖掘机动臂机器人焊接工作站

4 挖掘机动臂焊接变形控制

4.1 焊接变形的主要形式及产生原因

挖掘机主要结构是箱形结构，采用钢板厚度为4?40毫米，板的厚度是非常大的，使用焊接工艺参数变化很大，从而导致焊接热和焊接热温度场是不均匀的。因此，如果在焊接过程中控制不当，焊接变形会很大，对加工质量的严重挖掘机结构的结构和整机的组装。挖掘机的结构的主要设计形式是对接焊缝和角焊缝，焊接变形的角度变形，收缩变形，而且接头的变形。

在宏观水平，主要的原因为在焊接材料和焊接方法的情况下，挖掘机的结构的焊接变形的主要原因是：

（1）的结构设计不当，而变形是容易产生变形;

（2）焊接接头的类型，焊缝的布置是不合理;

（3）用于控制焊接变形的处理方法的应用。

动臂焊接变形的基本原因是不均匀的焊接残余应力，从而导致原件的应力不均匀应主要在焊接中的存储器中的区域的组分的过程中的不均匀的温度场。因此，焊接变形的控制必须控制焊接应力。一般来说，可从以下两方面考虑的焊接方法，一种是被固定的构件，防止变形，再经过喷丸和热处理作为一个整体在后续过程处理使得应力释放;二是在动臂不受约束的自由收缩，释放应该强制工件尺寸，以满足设计要求。

挖掘机的结构部件的焊接变形会影响生产过程的正常运行，并且使形状大小和尺寸精度差，正确焊接变形的结构的结构，从而使生产成本增加，将增加机械加工，装配等后续工艺和焊接变形的难度会降低结构的承载能力，就会导致产品质量不稳定等诸多不良后果。因此，根据不同的形式焊接变形，以控制和消除挖掘机的结构部件的焊接变形是非常重要的。

4.2 控制焊接变形的方法

控制焊接变形的方法很多，各种方法的具体应用要根据工件的结构形式、钢板厚度、焊接方法等具体情况决定。通过实践证明，对挖掘机动臂而言，主要从控制焊接变形的工艺方法入手，通过以下控制焊接变形方法的应用或几种方法综合应用可以有效的控制动臂的焊接变形。

4.2.1 反变形法

以动臂为例进行说明，根据生产中已经发生的变形规律，预先把焊件人为地加工产生一个变形，使这个变形与焊后发生的变形方向相反而数值相等，这种方法称反变形法。挖掘机动臂中的动臂和斗杆均属于细长形动臂，焊接变形主要是焊缝纵向收缩引起的。通过对焊接生产中焊接变形的变形量大小的计算以及生产过程中现场验证，确定合适的反变形量，使焊接后的变形量正好与反变形量抵消，达到产品的设计要求。对于理论计算焊缝纵向收缩量的大小可以参考以下计算公式：

△ L=（k

1×F

H

×L）/F[4]

式中：△L—纵向收缩量，mm

k

1

—变形系数，与焊接方法及母材材料有关，其数值可由表1查取；

F

H

—焊接截面面积，mm2；

L—结构长度，mm；

F—构件截面积，mm2。

表3 焊接动臂的变形系数值

根据以上公式计算现代11吨挖掘机动臂的焊接收缩量如下：

△ L=（k

1×F

H

×L）/F

△ L=（0.043×128×3700）/6400

△ L=3.182

因此，在焊接点装过程中，在工装定位动臂前后两端的定位点间距要人为放大约3mm。然后对放大长度的动臂进行施焊，焊后尺寸L的公差在1mm左右，完全满足了焊接件后续机加工的要求。

图2.挖掘机动臂焊接反变形量

4.2.2 刚性固定法

焊接前将易变形的工件加以固定来限制和减小焊接变形的方法称为刚性固定法。特别是对结构形式复杂，焊缝设计不对称得构件，焊缝主要集中在工件的一侧时刚性固定法可以很好地控制焊接变形。常见的方式是点焊拉筋，使用刚性轴，工装刚性制约以及依靠工件背对背互相制约变形的方法，都可以达到控制焊接变形的目的。

使用刚性固定法来控制焊接变形量现在已经普遍应用于挖掘机实际生产中，并取得了良好效果。如图所示几个实例：

图3.挖掘机上平台中部机架背对背刚性固定法

图4.挖掘机上平台中部机架工装刚性固定法

结论

一转眼，几个月就这样过去了，到如今，毕业设计总算接近尾声了，通过这次对于挖掘机动臂的设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计，会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度，本文所设计的是挖掘机动臂焊接工艺分析，通过查找相关的设计资料和导师以及同学们沟通，听取他们的建议然后开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才可要做的好，总之，本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最感谢帮助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我的论文得以通过。

致谢

写到这里，论文总算完成了，心里百感交集，在这里，我打心里向我的导师和同学们表示衷心的感谢！因为有了老师的谆谆教导，才让我学到了很多知识和做人的道理，由衷地感谢我亲爱的老师，您不仅在学术上对我精心指导，在生活上面也给予我无微不至的关怀支持和理解，在我的生命中给予的灵感，所以我才能顺利地完成大学阶段的学业，也学到了很多有用的知识，同时我的生活中的也有了一个明确的目标。知道想要什么，不再是过去的那个爱玩的我了。导师严谨的治学态度，创新的学术风格，认真负责，无私奉献，宽容豁达的教学态度都是我们应该学习和提倡的。通过近半年的设计计算，查找各类挖掘机动臂焊接工艺分析的相关资料，论文终于完成了，我感到非常兴奋和高兴。虽然它是不完美的，是不是最好的，但在我心中，它是我最珍惜的，因为我是怎么想的，这是我付出的汗水获得的成果，是我在大学四年的知识和反映。

几年的学习和生活，随着毕业答辩的结束而要结束了，在这四年里大学的生活和学习，不仅丰富了我的知识，而且锻炼了我的个人能力，更重要的是来自老师和同学的潜移默化让我学到很多有用的知识，在这里，谢谢老师以及所有关心我和帮助我的人，谢谢大家。

参考文献

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[15]成大先主编.机械设计手册（第三版）.北京：化学工业出版社，2004。

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