挖掘機結(jié)構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力淺析

郭紅麗

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031）

挖掘機結(jié)構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力淺析

郭紅麗

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031）

文章簡要介紹了挖掘機結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的問題，探討了焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機理、殘余應(yīng)力的消除及行業(yè)應(yīng)用較為廣泛的熱處理和振動時效法，對于工程機械企業(yè)殘余應(yīng)力的消除有一定的借鑒作用。

挖掘機；結(jié)構(gòu)件；殘余應(yīng)力；熱處理；振動時效

工程機械是中國民族裝備制造業(yè)的重要組成部分，在國民經(jīng)濟發(fā)展的過程中，特別是國家大型公路、橋梁、隧道及其他基礎(chǔ)設(shè)施等的建設(shè)中發(fā)揮了舉足輕重的作用。在工程機械產(chǎn)品中有一種機型叫挖掘機，這種機器已經(jīng)成為了工程建設(shè)中最為重要的機種之一。19世紀(jì)50年代出現(xiàn)了液壓挖掘機，使得土石方施工效率明顯提高。目前，全球每年銷售各種型號的液壓挖掘機約20萬臺，完成全球約70%的土石方工程量，已經(jīng)有一種取代裝載機和推土機的發(fā)展趨勢。

挖掘機是工程機械中技術(shù)含量最高的產(chǎn)品之一，挖掘機不僅要有良好的動力性，還要有極高的工作效率，其液壓系統(tǒng)的壓力比裝載機高出許多。如，挖掘機的液壓系統(tǒng)工作壓力達(dá)32～40MPa，而裝載機僅16～20MPa。另一方面，挖掘機工作裝置等結(jié)構(gòu)件在作業(yè)中占有相當(dāng)重要的地位，國內(nèi)廠家可以采用與合資企業(yè)相同的原材料，但生產(chǎn)出來的結(jié)構(gòu)件特別是焊接結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量相差較大。這里除了設(shè)計因素外，制造因素占有相當(dāng)?shù)谋壤堄鄳?yīng)力的調(diào)整是制造過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)。

許多專家和學(xué)者在殘余應(yīng)力的研究方面做了大量的工作，但是關(guān)于工程機械方面的報道非常有限。汪建華等針對焊接殘余應(yīng)力形成機制和消除原理傳統(tǒng)理論的質(zhì)疑和不同觀點，采用兩端拘束桿件和長板條焊接的一維簡化模型，分析比較了經(jīng)受加熱與冷卻熱循環(huán)以及直接從高溫冷卻下來時的應(yīng)變歷史和殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機制。結(jié)果表明，兩者對產(chǎn)生殘余應(yīng)力的作用完全是等價的。羅利偉等在分析殘余應(yīng)力產(chǎn)生原理的基礎(chǔ)上，提出了消除焊接殘余應(yīng)力的方法：熱處理、拉伸法、振動法及爆炸法，指出研究和測量構(gòu)件中殘余應(yīng)力對生產(chǎn)和科學(xué)試驗具有重要意義。張小鵬等對傳統(tǒng)的盲孔法進行了改進，改進的盲孔法能夠更準(zhǔn)確地測得焊接殘余應(yīng)力值，測量結(jié)果經(jīng)塑性修正，最大誤差減小到2%以下。測試方法和結(jié)果可直接應(yīng)用于工程實際。

關(guān)于殘余應(yīng)力的消除方面，已有的方法包括熱處理、拉伸法、捶擊法、爆炸法，振動時效法以及超聲波方法等，但它們在工程實際中的應(yīng)用效果不盡相同。論文就目前在挖掘機結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)過程中用到的方法進行分析整理，以期對工程實際提供參考。

一、焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機理

焊接電弧所產(chǎn)生的熱量，通過熱輸入對被焊接區(qū)域進行不均勻的局部加熱，是產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的決定性因素。熱輸入通過材料因素、制造因素和結(jié)構(gòu)因素所構(gòu)成的內(nèi)拘束度和外拘束度而影響熱源周圍的金屬運動，形成焊接殘余應(yīng)力。不均勻的熱輸入是與所焊接的材料因素、制造工藝過程以及結(jié)構(gòu)的剛度等因素所構(gòu)成的內(nèi)部拘束度和外部拘束度共同影響焊接區(qū)域的金屬運動，最終形成焊接殘余應(yīng)力。材料因素決定熱源周圍金屬運動的內(nèi)拘束度，而制造因素和結(jié)構(gòu)因素則更多地影響著熱源周圍金屬運動的外拘束度。

挖掘機的結(jié)構(gòu)件包括動臂、斗桿、鏟斗、回轉(zhuǎn)平臺及行走架等，這些構(gòu)件的加工過程涉及到下料、折彎、組裝等工序，最終焊接而成，在焊縫附近不可避免地產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，給工程實際造成極大的危害。

二、殘余應(yīng)力的危害性

殘余應(yīng)力是材料及其制品在機加工或合金過程中產(chǎn)生的平衡于材料或制品內(nèi)部的應(yīng)力。在各種機械制造過程中，無法避免地會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部造成很大的殘余應(yīng)力。加工后的殘余應(yīng)力將影響到腐蝕、開裂、疲勞強度等力學(xué)性能，同時也會對材料的物理機械性能產(chǎn)生巨大影響，對結(jié)構(gòu)強度造成很大危害，歷史上許多災(zāi)難性破壞事故大多是由結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力引起。具體表現(xiàn)在如下幾個方面：

1.對疲勞壽命的影響

殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響是復(fù)雜的。當(dāng)受到交變應(yīng)力的構(gòu)件存在壓縮殘余應(yīng)力時，該構(gòu)件的疲勞強度會有所提高；當(dāng)存在拉伸殘余應(yīng)力時，疲勞強度則降低。因此在工程實際中往往通過表面硬化處理產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，從而有效地提高疲勞強度。但是很多情況下，構(gòu)件表面存在的是拉伸殘余應(yīng)力，這時首先應(yīng)該研究如何調(diào)整應(yīng)力分布來提高疲勞壽命，這與考慮殘余應(yīng)力對變形的影響是不相同的，后者考慮的是如何降低和消除殘余應(yīng)力以保證構(gòu)件變形的穩(wěn)定性。

實際上，交變應(yīng)力作用下殘余應(yīng)力將會發(fā)生很大的變化，所以研究殘余應(yīng)力與疲勞強度之間的關(guān)系是比較困難的。

2.對構(gòu)件變形的影響

殘余應(yīng)力是一個不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)構(gòu)件受到外力作用時，使某些局部呈現(xiàn)塑性變形，截面內(nèi)應(yīng)力重新分配，當(dāng)外力作用去除時整個構(gòu)件發(fā)生變形。所以殘余應(yīng)力明顯地影響著加工后的構(gòu)件精度。這也是工程實際中最關(guān)心的問題之一。

研究表明，具有表面拉伸殘余應(yīng)力的構(gòu)件其變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如具有表面壓縮殘余應(yīng)力的構(gòu)件變形穩(wěn)定性好。另一方面，荷載卸除后變形的恢復(fù)能力。殘余應(yīng)力在這兩個方面對構(gòu)件的影響是很大的，因此人們一直在研究消除這些影響的有效辦法。

3.對金屬脆性破壞的影響

脆性破壞是構(gòu)件在幾乎不存在塑性變形的情況下突然開裂。它在溫度突然下降或變形速度突然增大的情況下，最容易發(fā)生。這時塑性變形處于抑制狀態(tài)，如再突然受到較大的作用應(yīng)力等原因，就易于發(fā)生脆性斷裂破壞。殘余應(yīng)力是作為初始應(yīng)力存在于構(gòu)件內(nèi)，特別是拉伸殘余應(yīng)力與作用拉應(yīng)力的疊加加速了脆性破壞。

4.對應(yīng)力腐蝕開裂的影響

金屬與周圍介質(zhì)的接觸而產(chǎn)生化學(xué)作用所引起的破壞稱為腐蝕。如果在發(fā)生腐蝕的同時還有應(yīng)力的作用，則會加速腐蝕破壞，這就是應(yīng)力腐蝕開裂。它的特點是：第一，拉應(yīng)力與腐蝕共存。第二，由于材料成分和組織不同、介質(zhì)不同等，對應(yīng)力腐蝕的敏感性也不同。有時在不發(fā)生腐蝕的介質(zhì)中，有些金屬在應(yīng)力作用下也發(fā)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。第三，在應(yīng)力腐蝕開裂過程中，首先出現(xiàn)點蝕，再逐步擴展成裂紋，裂紋的擴展主要是沿著最大主應(yīng)力垂直的方向進行，在微觀上是沿著材料晶界或穿過晶粒進行。

三、焊接殘余應(yīng)力的消除

焊接殘余應(yīng)力的存在給工程實際帶來了較多的不利，特別像挖掘機結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)幾乎全部由焊接而成。因此，調(diào)整或消除焊接殘余應(yīng)力提高焊接接頭的疲勞強度，從而提高焊接結(jié)構(gòu)件的使用壽命成為所有挖掘機生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)鍵問題。目前在工程機械行業(yè)調(diào)整或消除焊接殘余應(yīng)力的方法主要有兩種：熱處理和振動法。

1.熱處理

熱處理法是將焊接構(gòu)件整體或局部以一定的加熱速度加劇到相變點以下適當(dāng)溫度并保溫一定時間，然后以一定速度緩慢冷卻的方法。這種方法不僅能消除焊接殘余應(yīng)力，而且還能夠使大多數(shù)鋼的焊接區(qū)材質(zhì)得到改善。然而，一些研究結(jié)果表明，熱處理能夠提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度是有條件的。因為熱處理一方面消除焊接殘余應(yīng)力，同時也導(dǎo)致接頭表面氧化、脫碳及組織軟化，這是對疲勞強度不利的因素。從目前報道來看，工程機械行業(yè)中只有極少數(shù)企業(yè)采用這種方法，如三一重工采用整體熱處理消除臂架的焊接殘余應(yīng)力和變形。

2.振動時效法

振動時效法是一種人工時效方法，通過共振來調(diào)整殘余應(yīng)力。每個工件都有其固有頻率,當(dāng)外加周期性載荷在工件的固有頻率下振動時,可以用最小的振動能量,使被振動體產(chǎn)生最大的振幅,從而得到最大的附加動應(yīng)力。當(dāng)振動的附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加的代數(shù)和不能引起構(gòu)件任何部位的塑性變形,這時振動時效已不再引起殘余應(yīng)力下降,此時,視為振動時效處理完畢。該方法在國外已經(jīng)普遍采用，國內(nèi)才剛剛起步。這種方法的優(yōu)點在于設(shè)備投資少、簡單輕巧、操作方便、易于現(xiàn)場施工等優(yōu)勢，但技術(shù)性較強。

早在2000年，廣西玉柴工程機械公司生產(chǎn)的小型挖掘機的底盤、平臺、動臂、斗桿等焊接結(jié)構(gòu)件，均進行了振動時效處理。王日來等的研究表明，挖掘機平臺在振動處理前，焊縫處殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象較嚴(yán)重。在焊縫中心區(qū)域應(yīng)力較高，最大剪切殘余應(yīng)力值約為54～67MPa，已經(jīng)接近了許用安全剪切應(yīng)力,為不安全的殘余應(yīng)力。在焊縫非中心區(qū)域應(yīng)力較低，約為30～50MPa。經(jīng)振動時效處理，焊縫處殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象已消除，焊縫中心區(qū)域和非焊縫區(qū)域，應(yīng)力值已相近，峰值殘余應(yīng)力已經(jīng)從60MPa左右下降到25MPa左右，下降率約為60%，遠(yuǎn)小于許用安全剪切應(yīng)力，平臺處于安全的低應(yīng)力平衡狀態(tài)。

長時間以來，國內(nèi)外均采用熱處理的方法來消除殘余應(yīng)力。這種方法受工件尺寸的限制，而且能耗大，工藝周期長，不易控制，造成資金的積壓，給企業(yè)帶來較高的成本。特別對于挖掘機動臂、斗桿等尺寸較大的部件采用熱處理的方法有很大的難度，振動時效法由于具有設(shè)備投資少、生產(chǎn)效率高、時效成本低等特點，正好可以解決熱處理的弊端。隨著一些企業(yè)已經(jīng)投入使用，一些企業(yè)已經(jīng)在醞釀之中，必將帶到整個工程機械行業(yè)，特別是技術(shù)含量較高的挖掘機行業(yè)的推廣和應(yīng)用。

［1］汪建華，陸?zhàn)?焊接殘余應(yīng)力形成機制與消除原理若干問題的討論［J］.焊接學(xué)報，2002，（3）：75－79.

［2］羅利偉，付小超.焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及其消除方法［J］.山西建筑，2008，（20）：134－135.

［3］張小鵬，王娜.基于大型爐體焊接殘余應(yīng)力測試的盲孔法研究［J］.力學(xué)與實踐，2007，（3）：45－50.

［4］孫蘭英，翟封祥.焊接板材毛坯沖壓成形中殘余應(yīng)力的測試與分析［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報，2000，（1）：69-72.

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1673-0046（2010）10-0174-02