鑄造起重機(jī)焊縫裂紋分析及修補(bǔ)方法探討

鄒小忠 李 飛

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常州分院 常州 213016）

鑄造起重機(jī)焊縫裂紋分析及修補(bǔ)方法探討

鄒小忠 李 飛

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常州分院 常州 213016）

本文針對(duì)鋼廠一臺(tái)鑄造起重機(jī)在端梁與主梁連接處發(fā)生焊縫開裂的現(xiàn)象，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查后，并結(jié)合實(shí)際吊載工況，從材料、制作工藝、焊縫布置、主梁疲勞受力狀況等原因進(jìn)行了分析，找出了導(dǎo)致焊縫開裂的原因，同時(shí)探討了焊縫的修補(bǔ)方法，并經(jīng)實(shí)踐論證，此修補(bǔ)方法有效地延長(zhǎng)了設(shè)備的壽命，杜絕了安全隱患，也取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

鑄造起重機(jī) 焊縫開裂 原因分析 處理措施

1 設(shè)備概況現(xiàn)場(chǎng)勘查

常州武進(jìn)區(qū)某鋼廠南煉鋼分廠一臺(tái)雙梁橋式鑄造起重機(jī)，擔(dān)負(fù)車間全部鑄造吊運(yùn)工作，使用工作極其頻繁，滿載率高，環(huán)境溫度高。

1.1 設(shè)備的主要參數(shù)

起重量： Q=100/32t

跨度： L=25.5m

起升高度：20/25m

起升速度：主鉤/副鉤 6/9.5m?min-1

運(yùn)行速度：小車/大車 45/75m?min-1

工作級(jí)別：A7

1.2 焊縫開裂的情況

該臺(tái)鑄造起重機(jī)，在司機(jī)室對(duì)面的主梁與端梁聯(lián)接端底腹板與下翼緣折線圓弧的聯(lián)接處，焊縫沿著角焊縫走向開裂（見圖1）。

下翼緣和腹板的角焊縫開裂100mm～120mm，下翼緣的直角彎板處焊縫開裂80mm～90mm，兩根梁在此端都存在焊縫開裂現(xiàn)象，而司機(jī)端焊縫完好。由于腹板高度比較高，在制造過程中為了接高腹板，布置一條沿著腹板方向的橫向焊縫，一直延伸到主梁腹板與下翼緣板直角彎板處（見圖2）。

圖1

圖2

2 焊縫開裂原因分析

2.1 自重載荷pG

該臺(tái)起重機(jī)自重96t（包含司機(jī)欄桿機(jī)電設(shè)備等），以集中載荷和均布載荷作用在主梁上，考慮自動(dòng)載荷振動(dòng)系數(shù)取φ1=1.1，則

2.2 動(dòng)載荷pQ

則 pQ=1.151×（95+50）×104=1.668×106N

2.3 力學(xué)分析

本臺(tái)起重機(jī)主梁為箱體結(jié)構(gòu)，小車軌道是在上蓋板中心線對(duì)稱布置，主梁截面尺寸見圖3。

圖3 主梁截面尺寸圖

主梁的慣性矩為：Ix=4.33×1010mm4

自重載荷在跨中截面垂直方向產(chǎn)生的彎矩：一根主梁的均布載荷

動(dòng)載荷在跨中產(chǎn)生的彎矩

其中b是小車車輪基距，b=3950mm，每根梁的彎矩

水平方向主梁跨中每根梁通過水平彎矩為：

跨中危險(xiǎn)截面應(yīng)力

當(dāng)小車空車到端梁端處的應(yīng)力通過計(jì)算為

FR1小車在駕駛室端，非駕駛室端的支撐反力

因?yàn)榇似鹬貦C(jī)的結(jié)構(gòu)使用級(jí)別是E4以上，按照GB/T 3811—2008的規(guī)定，因進(jìn)行疲勞計(jì)算，需計(jì)算主梁下翼邊緣應(yīng)力循環(huán)特性

根據(jù)r和拉伸以及工作級(jí)別A7，大勁板與底部是采用連續(xù)的橫隔板焊接，應(yīng)力集中等級(jí)K2及材料，根據(jù)起升機(jī)構(gòu)M7，查得［σ-1］=77.6MPa，Q345的φb=490N/mm2

可見滿足疲勞設(shè)計(jì)要求。

現(xiàn)在我們計(jì)算小車在端梁處吊運(yùn)時(shí)，端梁連接處的疲勞強(qiáng)度，如圖4所示。

當(dāng)滿載時(shí)，小車距離端梁5200mm，在端梁彎角處產(chǎn)生的輪壓反支撐力：

其中AO輪壓點(diǎn)和彎板裂紋處的距離1500mm。

圖4 端梁連接處的疲勞強(qiáng)度

此處的彎矩是

剪切力FRC=61.8t

對(duì)于端梁彎板處的截面特性為

梁高是1300mm，f腹板加厚是10mm。

可見這些處主要承受的是剪切力，主要計(jì)算剪力的疲勞。 當(dāng)小車空載停在司機(jī)室端的輪壓支撐了力是24.73t，剪力最小，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算得：

根據(jù)腹板焊縫橫向?qū)优c下翼緣角焊縫交匯處連接應(yīng)力比較集中取K4，則選擇 ［σ-1］=33.3MPa，代入相關(guān)數(shù)據(jù)得到

可見剪切疲勞強(qiáng)度是不符合要求的，雖然只是相差2MPa，但是GB 3811—2008中規(guī)定最大應(yīng)力集中情況是K4，附錄O表O.2并沒有出現(xiàn)變截面和幾條焊縫集中的情況，因此焊縫應(yīng)力集中情況更復(fù)雜，選擇 ［σ-1］=33.3MPa應(yīng)該更小。

綜合以上理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)勘查的情況，可以看出，焊縫開裂有以下原因：

1） 本身起重機(jī)在制造的過程中因?yàn)楣に嚨膯栴}導(dǎo)致的存在腹板橫向焊縫，和腹板與下翼緣的角焊縫（過渡圓弧處）導(dǎo)致多條焊縫匯集，無形中增加了焊接應(yīng)力集中等級(jí)K4（一般此處為K2）。

2） 彎板處本身就是一個(gè)變截面的過程，從腹板高度2000mm，變?yōu)?000mm左右，過渡圓角是180mm，而太原重工的鑄造起重機(jī)一般圓角都取330mm左右，因此過渡圓角太小，導(dǎo)致應(yīng)力集中。

3）通過計(jì)算可以看出焊縫開裂處焊縫的剪切疲勞強(qiáng)度不夠，尤其因?yàn)橐陨?）的原因，導(dǎo)致疲勞許用應(yīng)力的基本值［σ-1］偏小。

4）起重機(jī)材質(zhì)雖然使用的是Q345B低合金鋼，強(qiáng)度提高了，但是比起一般普通碳素鋼，Q345B材質(zhì)對(duì)裂紋缺陷更為敏感。

3 裂紋的修補(bǔ)

裂紋的產(chǎn)生機(jī)理是由于頻繁的交變應(yīng)力，在材料本身存在缺陷或者結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的地方，裂紋應(yīng)力尖端處應(yīng)力強(qiáng)化，微裂紋變?yōu)楹暧^裂紋，最后脆裂的破壞過程。一般而言傳統(tǒng)的裂紋修補(bǔ)方法如下：

1）對(duì)焊縫的裂紋尖端進(jìn)行鉸孔。

2）碳弧氣刨進(jìn)行清根，然后重新補(bǔ)焊。

3）補(bǔ)焊加強(qiáng)板。但是此種方法在屏蔽裂紋的同時(shí)，也把原來產(chǎn)生裂紋的地方給遮住了，尤其增加一層角焊縫，如果焊接工藝不到位極易產(chǎn)生缺陷，還能造成二次焊接應(yīng)力集中，無法對(duì)將來能否產(chǎn)生裂紋進(jìn)行觀察和檢查。

鑒于以上問題并結(jié)合現(xiàn)有工藝條件，制定本臺(tái)起重機(jī)的修復(fù)方法：

1）對(duì)裂紋開裂范圍進(jìn)行無損檢測(cè)，確定裂紋前端的位置和延長(zhǎng)范圍，用碳弧氣刨對(duì)缺陷處進(jìn)行清根、打磨，然后補(bǔ)焊，補(bǔ)焊時(shí)進(jìn)行多次打磨并墊上木頭進(jìn)行敲擊，以便釋放焊接殘余應(yīng)力，直至修復(fù)完整，焊后24h，再次進(jìn)行無損檢測(cè)，確保焊縫質(zhì)量沒有缺陷。

2）小車和鋼包作業(yè)區(qū)基本和底下的爐子位置是固定的，在小車車輪基本工作處的箱體內(nèi)部，增加2根大筋板，焊接時(shí)注意焊接參數(shù)，避免箱體的變形和拱度的影響，如圖5所示。

圖5 起重機(jī)修復(fù)示意圖

為了更好地驗(yàn)證改造前后應(yīng)力的狀況，在整改前后，分別用應(yīng)力測(cè)試儀DH5908，輪壓下面同一點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，并進(jìn)行比對(duì)。改造前應(yīng)力為112.3MPa，改造后的應(yīng)力值95.5MPa，證明改造后應(yīng)力降低了15%左右，效果明顯。

3）在小車路軌下面增加橡膠鋼絲墊，可以減小小車峰值載荷沖擊力的30%［4］。

4 修復(fù)效果

2012年3月，工廠按照此方案進(jìn)行了修復(fù)，到目前為止已經(jīng)有2年多了，并沒有發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)新的裂紋現(xiàn)象，效果良好。

5 結(jié)論

通過以上焊縫裂紋產(chǎn)生原因和修補(bǔ)措施的分析，可以看出：

1）對(duì)于鑄造起重機(jī)的焊縫裂紋采取了切實(shí)可行的方案，及時(shí)修補(bǔ)了缺陷，給設(shè)備安全生產(chǎn)提供了保障，延長(zhǎng)了設(shè)備壽命。

2）焊縫質(zhì)量尤為重要，主要的對(duì)接焊縫和角焊縫必須進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。

3）對(duì)于端梁處圓弧過渡處，必須加大過度圓弧，防止截面突變，造成應(yīng)力集中。

4）本臺(tái)起重機(jī)沒有考慮我國(guó)鋼板的高度，由于腹板高度比較高，形成一條縱向焊縫，而且沒把焊縫放在受壓區(qū)，提高了焊縫的應(yīng)力集中等級(jí)。

［1］ GB/T 3811—2008 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ 徐格寧.機(jī)械裝備金屬結(jié)構(gòu)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：82-93.

［3］ 謝劍剛.帶裂紋的金屬結(jié)構(gòu)修補(bǔ)［J］.機(jī)械工程師，2003，（8）：65-66.

［4］ 馬天平.冶金起重機(jī)主梁上蓋板與腹板縱向焊縫開裂分析［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，1989，（11）：33-36.

［5］ 羅更生，等.基于RT技術(shù)的小徑管焊縫質(zhì)量控制的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)特種設(shè)備安全，2014，30（9）：9-13.

［6］ 朱士杰，等.橋式起重機(jī)主梁上蓋板與腹板焊縫開裂修補(bǔ)方案［J］.中國(guó)特種設(shè)備安全，2013，29（9）：66-69.

Study on Weld Crack and It’s Repair Methods of Casting Crane

Zou Xiaozhong Li Fei
(Changzhou branch of Jiangsu special equipment Safety Supervision Inspection Institute Changzhou 213016 )

This article in view of a weld crack occurred in the end beam and the main beam joint of a casting crane in a steel mill, after the fi eld investigation, combined with the lifting load condition, the material, manufacturing process, weld layout, girder fatigue stress condition is analyzed, the causes of weld cracking are found out, the repair method of welding seam is explored which is practically certifi ed to be an effective method to extend the service life of this equipment, avoid the potential safety hazard, and achieve certain economic benefi ts.

Casting crane Weld cracking Cause analysis Handle

X941

B

1673-257X（2015）03-48-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.03.012

作者者簡(jiǎn)介：鄒小忠（1965～），男，本科，高級(jí)工程師，質(zhì)量檢驗(yàn)責(zé)任工程師，主要從事特種設(shè)備安全技術(shù)和特種設(shè)備檢驗(yàn)技術(shù)的研究。

2014-10-22）