挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力淺析

李陽(yáng)

摘 要： 焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形及裂紋最主要得原因是焊接殘余應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)件造成的影響是不可忽視的。本文簡(jiǎn)要介紹了挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程中的焊接殘余應(yīng)力問(wèn)題，論述了焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理、焊接殘余應(yīng)力的危害以及工業(yè)上廣泛采用的熱處理、振動(dòng)時(shí)效和超聲波沖擊三種消除焊接殘余應(yīng)力的方法，對(duì)工程機(jī)械企業(yè)消除殘余應(yīng)力具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 超聲波沖擊;振動(dòng)時(shí)效;熱處理;焊接殘余應(yīng)力;挖掘機(jī)

【中圖分類(lèi)號(hào)】TG441.7 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.32.280

作為當(dāng)前我國(guó)制造裝備業(yè)不可或缺的重要組成之一的工程機(jī)械，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，特別是在國(guó)家大型公路、橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中都功不可沒(méi)?，F(xiàn)在的工程機(jī)械，挖掘機(jī)械已經(jīng)成為工程施工中最為重要的機(jī)械類(lèi)型之一。1850年代，液壓挖掘機(jī)得及時(shí)產(chǎn)生，有效提升了土方施工的相關(guān)效率?，F(xiàn)如今，全世界范圍內(nèi)，各種種類(lèi)的液壓挖掘機(jī)每年能售出約二十萬(wàn)臺(tái)，并大約完成了全世界土方量的百分之七十，大有取代裝載機(jī)和推土機(jī)的趨勢(shì)。

1 焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理

焊接熱輸入通過(guò)由材料因素、制造工藝和結(jié)構(gòu)剛度等組成的內(nèi)外約束作用于金屬在焊接區(qū)域的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。材料因素是金屬繞熱源運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部約束，制造因素和結(jié)構(gòu)因素是外部約束[1]。焊接過(guò)程中，焊縫高溫區(qū)材料的熱膨脹受到周?chē)蜏貐^(qū)材料的限制和擠壓，導(dǎo)致高溫區(qū)材料發(fā)生塑性變形;當(dāng)焊件冷卻時(shí)，在高溫區(qū)發(fā)生塑性變形的材料，由于周?chē)牧系睦於荒茏杂墒湛s，因此在高溫區(qū)會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。于此同時(shí)，焊縫高溫區(qū)材料又會(huì)在高溫條件下發(fā)生二次相變，引起材料組織變化，進(jìn)而產(chǎn)生體積變化，因此在高溫區(qū)材料內(nèi)部又會(huì)產(chǎn)生相變應(yīng)力。這種溫度應(yīng)力和相變應(yīng)力統(tǒng)稱(chēng)為焊接殘余應(yīng)力。

挖掘機(jī)中的主要結(jié)構(gòu)件有五種，分別是：履帶梁、回轉(zhuǎn)支撐架、回轉(zhuǎn)底盤(pán)、鏟斗、斗桿、動(dòng)臂等[2]。這些結(jié)構(gòu)件的制造過(guò)程包括機(jī)加工、焊接、彎曲、切割、焊接等工序，這樣產(chǎn)生的參與拉應(yīng)力是不可避免的，這將大大降低挖掘機(jī)的使用壽命。

2 焊接殘余應(yīng)力的危害性

焊接殘余應(yīng)力在焊接后的結(jié)構(gòu)中是平衡的，但它會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度、剛度、強(qiáng)度、等力學(xué)性能產(chǎn)生很大的影響，對(duì)材料的物理力學(xué)性能也會(huì)產(chǎn)生很大的影響，這將對(duì)結(jié)構(gòu)件的使用性能帶來(lái)極大的危害。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1 對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

但在許多情況下，結(jié)構(gòu)件表面的殘余應(yīng)力為殘余拉應(yīng)力，此時(shí)就有必要研究如何通過(guò)調(diào)整殘余應(yīng)力的分布來(lái)提高結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命。而這又和考慮殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)件變形的影響不同，后者考慮的是如何減小或者徹底消除殘余應(yīng)力，以減小結(jié)構(gòu)件的變形，提高結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性[3]。實(shí)際上，由于有交變載荷的作用，研究殘余應(yīng)力與疲勞強(qiáng)度的關(guān)系是非常困難的。

2.2 對(duì)結(jié)構(gòu)件加工精度的影響

殘余應(yīng)力在結(jié)構(gòu)件內(nèi)部是平衡的，但卻是不穩(wěn)定的。在機(jī)加工過(guò)程中，當(dāng)部分材料被切削去除后，切削平面內(nèi)的材料發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致殘余應(yīng)力原來(lái)的平衡狀態(tài)被打破，殘余應(yīng)力將重新分布，從而使結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生新的變形，進(jìn)而導(dǎo)致加工精度降低。這也是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中最為關(guān)注的問(wèn)題之一。研究表明，具有表面殘余拉應(yīng)力的結(jié)構(gòu)件的變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于具有表面壓應(yīng)力的結(jié)構(gòu)件。

2.3 對(duì)金屬脆性斷裂的影響

脆性斷裂是指結(jié)構(gòu)件在幾乎沒(méi)有塑性變形的情況下突然開(kāi)裂，最有可能發(fā)生在溫度突然下降或變形速度突然增加時(shí)，此時(shí)塑性變形處于約束狀態(tài)。當(dāng)塑性變形突然受到較大的作用應(yīng)力時(shí)，容易發(fā)生脆性斷裂[4]。殘余應(yīng)力作為初始應(yīng)力存在于結(jié)構(gòu)件材料內(nèi)部，特別是殘余拉應(yīng)力，當(dāng)其與外加拉應(yīng)力疊加時(shí)，就會(huì)加速結(jié)構(gòu)件的脆性斷裂。

2.4 對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響

應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂其特點(diǎn)是：一是殘余應(yīng)力與腐蝕并存。二是由于材料成分、顯微組織和介質(zhì)的不同，材料對(duì)應(yīng)力腐蝕的敏感性也不同。有時(shí)在無(wú)腐蝕介質(zhì)中，一些材料在殘余應(yīng)力的作用下也會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕。第三，在應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂過(guò)程中，首先發(fā)生點(diǎn)蝕，然后逐漸擴(kuò)展為裂紋。裂紋擴(kuò)展主要沿垂直于最大主應(yīng)力方向，主要沿晶界或穿過(guò)晶粒擴(kuò)展。

3 焊接殘余應(yīng)力的消除

焊接殘余應(yīng)力的存在給工程實(shí)踐帶來(lái)了許多不利因素，特別是挖掘機(jī)械結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件幾乎都是焊接而成[5]。因此，如何通過(guò)消除焊接殘余應(yīng)力或者調(diào)整焊接殘余應(yīng)力的分布，來(lái)提高焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞性能和可靠性，是各挖掘機(jī)制造企業(yè)都在研究的主要課題。

熱處理法是指以一定的升溫速度將焊接結(jié)構(gòu)件的全部或部分加熱到相變點(diǎn)以下的某一適當(dāng)溫度并保持一定時(shí)間，然后以一定的降溫速度緩慢冷卻至室溫的方法。這種方法使焊接結(jié)構(gòu)件在內(nèi)部金屬組織不發(fā)生轉(zhuǎn)變、不降低力學(xué)性能作為前提條件下，殘余應(yīng)力區(qū)的金屬材料會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，能夠很大程度上減少焊接在結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，如此就可以增加焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)挖掘機(jī)械的結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，焊接殘余應(yīng)力無(wú)法規(guī)避的方面，因?yàn)楹附咏Y(jié)構(gòu)件幾乎全部存在，這個(gè)無(wú)法避免的危害造成了很多問(wèn)題，包括它會(huì)減少降低結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命，降低結(jié)構(gòu)件的加工精度和尺寸穩(wěn)定性，提高結(jié)構(gòu)件的脆性斷裂敏感性，加速結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，常常采用熱處理、振動(dòng)時(shí)效和超聲波沖擊等方法，來(lái)消除焊接殘余應(yīng)力或重新調(diào)整焊接殘余應(yīng)力的分布，來(lái)提高焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞性能和可靠性。

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