消除旋挖鉆機動臂焊接殘余應力測試方法研究

旋挖鉆機動臂用于連接其上車和鉆桅三角架，是旋挖鉆機作業時的主要承載結構件之一，承受著較大的振動和沖擊載荷。動臂焊接完成后的焊接殘余應力，直接影響其承載能力和疲勞壽命。本文通過試驗對比方法，探討采用施工作業方法消除焊接應力的效果。

1.消除焊接殘余應力方法

（1）熱處理

為消除結構件焊接后的殘余應力，通常采用熱處理方法。但動臂結構尺寸較大，對熱處理設備要求較高，而大型熱處理工藝設備多處偏遠地區以降低城市污染，由此增加了產品成本。

（2）振動時效處理

理論和實踐證明，對焊接結構件采用振動時效處理，即周期性的交變振動載荷，可使焊接殘余應力出現明顯的松弛，且有學者認為振動時效比熱處理效果更好，而振動時效是否會降低結構件的疲勞壽命，需進一步研究。

（3）施工作業

施工作業消除應力方法即通過動臂工作時自身的振動，消除焊接應力的方法。

2.測試方法

本測試以未熱處理和已熱處理的2個動臂為研究對象，將這2個動臂在裝機前、裝機并工作500h后，對其工作前及工作500h后關鍵部位進行殘余應力測試。依據測試結果，對比分析這2個動臂殘余應力的變化情況，探討通過動臂工作時自身的振動來消除殘余應力的可行性，為施工安全性與工藝成本的不斷改進提供基礎的測試依據。

（1）動臂試件

這2個動臂結構件由鋼板拼焊而成，其結構件如圖1所示。動臂所用鋼板材質為Q345B，其化學成分如附表所示，其屈服強度Rd≥345 MPa，抗拉強度470-630 MPa，動臂焊接時嚴格控制焊接工藝，關鍵焊縫采用多層多道焊接，以減小焊接變形。

采用熱處理動臂，其熱處理的工藝如下：首先，以150℃/h的升溫速率將動臂溫度升至300℃；其次，以100℃/h的升溫速率升溫至630℃；然后，在630℃下保溫2.5h，最后，爐冷至300℃后出爐空冷。

動臂殘余應力測試分為2輪，第1輪測試在2個動臂制成后工作前進行，第2輪測試是2個動臂在相同環境下工作500h后進行。

（2）測試原理及儀器

本次測試的依據是國家標準《CB 3395-1992殘余應力測試方法鉆孔應變釋放法》。通過在測點處鉆出直徑d為1.5mm、深度h為2mm的應變花孔，用以釋放殘余應力。利用應變花孔捕捉鉆孔釋放出的應變，并通過理論公式計算出殘余應力相關參數。

測試儀器為ASM3.0型應力、應變儀及ZDL-Ⅱ型盲孔法測試殘余應力鉆孔裝置，本測試中盲孔法應變釋放A系數為0.072，B系數為0.151。

（3）測試點布置原則

動臂損壞的形式主要表現為焊縫處開裂，本試驗旨在測試垂直于焊縫方向的殘余應力，故測試點選擇在焊縫邊緣。并以融合線為零點，依次布置，包含焊縫融合線、熱影響區、母材，依據以上原則布置測試點。

設應變花孔半徑為a，當距孔中心為5a時，應力值趨近于無應變花孔時的應力，即應力值隨著距應變花孔距離的不斷加大而消失。故橫向空間兩孔最小距離為2倍的5a，等于10a，以滿足上述測試條件，這樣相鄰孔的影響引起的誤差不超過2%～3%。

（4）測試部位

測試區域包含動臂正面1～6號測試點，動臂反面7～13號測試點，動臂側面14～24號測試點，共計24處測試點。測試點布置圖如圖2所示。

3.測試及對比結果

我們按照測試方案，對這2個動臂試件進行測試，其結果如下所述。

（1）裝機前對比

在將這2個動臂安裝到旋挖鉆機之前，我們對其殘余應力進行了測試，其結果如下：未熱處理動臂工作前最大殘余應力發生在14號位置，最大應力為581MPa（為1.68倍的R）；熱處理后動臂最大殘余應力發生在18號位置，最大應力為150MPa（為0.43倍的R），未熱處理動臂正面A區最大應力為234MPa（為0.68倍的R），動臂反面B區最高應力為332MPa（為0.96倍的R）。已熱處理動臂正面、反面均為壓應力，最高壓應力只有-69MPa，側面最高應力只有150MPa（為0.43倍的R）。焊后裝機前，未熱處理及已熱處理動臂殘余應力測試對比結果如圖3所示。由測試結果可知，熱處理去應力效果顯著。

（2）熱處理與未熱處理對比

我們將這2個動臂裝機，待其工作500h后。對其殘余應力進行了檢測，其結果如下：未熱處理動臂最大殘余拉應力為250Mpa（為0.72倍的R），最大殘余壓應力為-192MPa（壓應力）。熱處理動臂殘余拉應力大幅減小，并向壓應力發展，殘余壓應力小幅增大，最大殘余拉應力為18MPa，最大殘余壓應力為-101MPa（壓應力）。裝機并工作500h后，這2個動臂殘余應力測試結果對比如圖4所示。由測試結果可知，未熱處理動臂殘余應力高于熱處理動臂殘余應力。

（3）消除應力效果對比

我們又對未熱處理動臂作業前、后殘余應力進行對比，未熱處理動臂工作500h后，殘余拉、壓應力均減小，向零應力發展，最大降幅74%，個別測試點拉應力變成壓應力，動臂正面A區均發展為壓應力，最大壓應力為-101MPa，動臂反面B區最高應力為234MPa（為0.68倍的R），降幅29%，動臂側面C區最高應力240MPa（為0.70倍的R）降幅49%。未熱處理動臂工作前后殘余應力結果對比如圖5所示。由測試結果可知，動臂作業過程自身受到的振動，使殘余應力發生了明顯松弛。

4.測試結果分析

由第1項對比可知，熱處理消除焊接殘余應力效果顯著，熱處理仍然是消除焊接殘余應力最佳的方法，施工作業方法消除殘余應力尚達不到熱處理消除焊接殘余應力效果。

由第2項對比可知，無論熱處理還是未熱處理的動臂作業后，其內應力都發生了變化，最大拉應力有所減小，且部分拉應力轉變為壓應力，說明施工作業可以使內應力減小。

由第3項對比可知，未熱處理動臂工作500h后，其殘余應力發生了明顯的松弛，79%測點殘余應力均有所下降，作業時動臂自身受到的振動使殘余應力消減，最大降幅為74%，直到工作800h未出現故障。如果通過進一步控制焊接工藝，以降低殘余應力，采用施工作業方法消除殘余應力也許可以保證動臂不發生開裂。

另外，建議未熱處理的動臂可小批量投放市場試用，跟蹤觀察2000h的故障信息及使用情況。

我國在熱處理基礎理論和新熱處理工藝研究方面與工業發達國家相差不大，但在熱處理生產工藝和設備、產品質量、節能清潔、環境污染方面仍存在很大不足。減少乃至取消大型焊接結構件的熱處理工序，能夠降低成本，逐步實現綠色制造，提高生產率。

（作者地址：北京市朝陽區平樂園100號北京工業大學機械工程與應用電子技術學院100124）