混凝土泵車舉升臂斷裂原因分析

楊曉潔劉娜娜 鄭春英 楊軍

（山東省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院）

混凝土泵車舉升臂斷裂原因分析

楊曉潔*劉娜娜 鄭春英 楊軍

（山東省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院）

某混凝土泵車舉升臂在使用過程中發(fā)生斷裂。通過宏觀觀察、金相組織分析、顯微硬度檢測和能譜檢測等方法對舉升臂斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：由于軸套與臂架的焊接部位在臂架一側(cè)未開坡口，導(dǎo)致該處焊后存在間隙和嚴(yán)重的未焊透現(xiàn)象，成為裂紋源和應(yīng)力集中點(diǎn)，大大降低了軸套與臂架的連接強(qiáng)度；同時(shí)由于焊接工藝參數(shù)選取不當(dāng)，致使熱影響區(qū)出現(xiàn)粗大的上貝氏體組織，大大增加了該處脆性，促使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致舉升臂在使用過程中斷裂。

焊接 未焊透 上貝氏體 應(yīng)力集中 混凝土泵車 裂紋

0 前言

混凝土泵車移動方便、機(jī)動靈活，在建筑行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]?；炷帘密嚨陌l(fā)展趨勢是增加尺寸和減少重量，但混凝土泵車的結(jié)構(gòu)存在易疲勞和穩(wěn)定性差等問題[2]。為了解決上述問題，一些學(xué)者進(jìn)行了研究[3-4]。在實(shí)際運(yùn)行中，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作難度大，經(jīng)常會出現(xiàn)故障，造成混凝土泵車失效[5-8]。本文對某廠生產(chǎn)的混凝土臂架泵車舉升臂發(fā)生斷裂的原因進(jìn)行分析。該混凝土泵車在第二節(jié)舉升臂處發(fā)生斷裂。舉升臂材質(zhì)為進(jìn)口低合金強(qiáng)度鋼，牌號為weldox 700。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

混凝土臂架泵車舉升臂斷裂發(fā)生在第二節(jié)舉升臂尾部，靠近連接銷軸處。為清楚觀察斷裂情況，將第二節(jié)舉升臂尾部的連接銷軸拆卸，并將斷裂部位截取下來，如圖1所示。由圖1可知，銷軸軸套與臂架通過焊縫連接在一起，開裂沿焊縫發(fā)生，兩側(cè)臂架完全斷裂。其中一側(cè)臂架發(fā)現(xiàn)補(bǔ)焊焊縫，斷裂沿補(bǔ)焊焊縫發(fā)生，如圖2所示。將樣品斷裂的兩部分分別標(biāo)記為A和B。

圖1 斷裂臂架宏觀形貌

圖2 沿補(bǔ)焊焊縫斷裂

將樣品的油污清洗干凈后繼續(xù)觀察。斷口（A部分）宏觀形貌如圖3所示。由圖3可清晰觀察到，軸套與臂架焊縫根部存在嚴(yán)重未焊透現(xiàn)象，二者之間靠較小的焊縫連接(焊縫寬度占板材厚度比例在后續(xù)金相檢查試樣中測量)。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，同一臂架同一側(cè)的兩平行板材的厚度不一樣，一面厚度約為12 mm，另一面厚度約為7 mm。用線切割垂直于斷口的焊縫（取樣部位如圖2所示），切去一部分試樣后繼續(xù)觀察，發(fā)現(xiàn)軸套外緣與臂架間存在間隙，間隙寬度約為1 mm，如圖4所示。此外，在B部位的軸套與臂架焊縫處發(fā)現(xiàn)一條宏觀裂紋，長約6 cm，如圖5所示。裂紋起始于斷口，沿焊縫向周向擴(kuò)展。

圖3 未焊透

圖4 間隙及未焊透

圖5 沿焊縫擴(kuò)展的裂紋

1.2 金相組織分析

從A部分焊縫開裂處的橫、縱方向和B部分軸套橫、縱方向分別截取金相試樣，觀察其金相組織。試樣依次標(biāo)記為1#試樣、2#試樣、3#試樣和4#試樣。試樣經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光后，用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。在縱向試樣中發(fā)現(xiàn)較多的氧化物夾雜，如圖6所示。用4%硝酸酒精溶液侵蝕后觀察，臂架母材顯微組織為鐵素體+珠光體，組織呈帶狀分布；軸套顯微組織為珠光體+鐵素體，如圖7所示。熱影響區(qū)粗晶區(qū)存在上貝氏體組織，如圖8所示，上貝氏體較粗大。圖9為制備的金相試樣的宏觀形貌，圖9右上角為焊縫，其余為臂架母材。由圖9可見，與臂架連接的焊縫約占臂架板厚的四分之一。

圖6 氧化物夾雜

圖7 顯微組織

圖8 上貝氏體組織

圖9 金相試樣宏觀形貌

1.3 顯微硬度測試

在開裂處附近截取顯微硬度試樣，測量結(jié)果如表1所示。

表1 試樣顯微硬度值

1.4 能譜檢測

從臂架、軸套及焊縫取樣進(jìn)行能譜檢測，結(jié)果如表2所示。能譜檢測結(jié)果顯示，焊縫兩側(cè)母材金屬材質(zhì)基本一致，焊縫具有良好的抗裂性和力學(xué)性能，且焊縫成分與母材成分基本一致，符合焊條選取原則。

表2 能譜檢測結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

對氧化物夾雜進(jìn)行能譜檢測，結(jié)果如表3所示。能譜檢測結(jié)果顯示，夾雜物主要為鉻的氧化物和鐵的氧化物。

表3 夾雜物能譜檢測結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

2 理化檢驗(yàn)結(jié)果的分析與討論

通過宏觀觀察可知，臂架與銷軸軸套焊接時(shí)，在臂架一側(cè)未開坡口，導(dǎo)致軸套與臂架之間存在間隙，且沿臂架厚度方向有約四分之三部分未焊透。未焊透的存在相當(dāng)于一條人為的“裂紋”，將軸承座與臂架分開，這就大大減小了有效承載截面積，降低了結(jié)構(gòu)的承載能力，并在此處形成了嚴(yán)重的應(yīng)力集中。

結(jié)合金相分析和能譜檢測結(jié)果可知，臂架及軸套中存在著大量的氧化物夾雜，主要是金屬氧化物。夾雜物與母材物理性能相差較大，割斷了金屬基體的連續(xù)性，同時(shí)給裂紋的擴(kuò)展埋下了隱患。

結(jié)合金相檢驗(yàn)和顯微硬度測試結(jié)果可知，軸承座與臂架的焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)出現(xiàn)了粗大的上貝氏體組織。上貝氏體組織產(chǎn)生的原因：由于焊接時(shí)熱輸入少，起始冷卻速度較大，使高溫奧氏體來不及發(fā)生分解，從而過冷到中溫，此時(shí)冷卻速度變緩，于是過冷奧氏體產(chǎn)生中溫轉(zhuǎn)變，得到羽毛狀上貝氏體組織[9]。上貝氏體組織強(qiáng)度和韌性都較差，脆性較大，在外力的作用下易開裂。

混凝土臂架泵車在運(yùn)行時(shí)，臂架上下、左右移動，軸套與臂架的受力比較復(fù)雜。其中，第二節(jié)臂架在工作時(shí)承受扭轉(zhuǎn)、剪切、沖擊等靜載和交變載荷。當(dāng)載荷大于其焊縫和母材的連接強(qiáng)度時(shí)，軸套與臂架未焊透形成的裂紋和應(yīng)力集中點(diǎn)成為了裂紋源，然后沿著存在氧化物夾雜的臂架、熱影響區(qū)上貝氏體組織形成裂紋，裂紋在沖擊、扭轉(zhuǎn)、剪切的作用下漸漸擴(kuò)展。裂紋造成了臂架兩側(cè)銷軸處受力不均勻，銷軸與軸承之間產(chǎn)生磨損。產(chǎn)生裂紋的臂架沒有及時(shí)更換，而是僅進(jìn)行了簡單的補(bǔ)焊處理，導(dǎo)致該處存在焊接殘余應(yīng)力，進(jìn)一步加速了裂紋的擴(kuò)展。隨著工作時(shí)間的延長，臂架的有效承載面積逐漸減小，承載能力也逐漸降低，裂紋順著未焊透的焊縫沿環(huán)向繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致舉升臂斷裂。

3 結(jié)論

臂架與銷軸軸套焊接時(shí)焊縫根部存在間隙，成為人為的裂紋源和應(yīng)力集中點(diǎn)。沿臂架厚度方向存在嚴(yán)重未焊透，減小了有效承載截面積，降低了結(jié)構(gòu)承載能力。焊接熱輸入不當(dāng)，使得熱影響區(qū)粗晶區(qū)形成了脆性上貝氏體組織。在長期的工作中，混凝土臂架泵車的臂架產(chǎn)生了裂紋并沿著缺陷位置逐漸擴(kuò)展，直至臂架斷裂。

[1]王斌華,呂彭民.混凝土泵車臂架系統(tǒng)振動機(jī)理的研究[J].振動與沖擊,2011,30(9):259-263.

[2]Cazzulani G,Ghielmetti C,Giberti H,et al.A test rig and numerical model for investigating truck mounted concrete pumps[J].Automation in Construction,2011,20: 1133-1142.

[3]Wang T,Wang G,Liu K.Simulation control of concrete pump truck boom based on PSO and adaptive robust PD [A].2009中國控制與決策會議論文集[C].2009: 960-963.

[4]Worthington T.Trailer pumps[J].Concrete Construction World Concrete,2007,52(3):62-67.

[5]李勛文.混凝土泵車臂架開裂的修復(fù)方法[J].橋梁機(jī)械與施工技術(shù),2007(3):44-45.

[6]張一北.混凝土泵車的常見故障與維修[J].混凝土, 2007(5):102-105.

[7]林宏.混凝土泵車臂架銷座的修理方法[J].工程機(jī)械, 2007,38(12):66-67.

[8]趙秀春.混凝土泵車常見故障探析[J].裝備制造技術(shù), 2009(9):92-93.

[9]李炯輝,林德成.金屬材料金相圖譜(上冊)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:1128.

A Study into the Fracture Reasons of a Lifting Boom of Concrete Pump Truck

Yang Xiaojie Liu Nana Zheng Chunying Yang Jun

The lifting boom of a concrete pump truck fractured during usage.Analyzed the fracture reasons by macroscopic investigation,metallographic structure analysis,micro-structure hardness testing and energy dispersive spectrometer(EDS)detection.The results showed that the crack source and stress concentration position due to the clearance and severe incomplete penetration arising from the absence of groove at the welding area of boom and sleeve were the major causes to greatly reduce the joint strength.In addition,the improper welding parameters leaded to the formation of bulky upper bainite structures in the heat affected zone,which increased the brittleness and promoted the propagation of cracks,eventually leading to the fracture of the lifting boom during usage.

Welding;Incomplete penetration;Upper bainite;Stress concentration;Concrete pump truck;Crack

TG 142.1

2014-08-28)

*楊曉潔，女，1982年生，碩士研究生，工程師。濟(jì)南市，250100。