挖掘機結構件的焊接殘余應力淺析

李陽

摘 要： 焊接結構發生的變形及裂紋最主要得原因是焊接殘余應力，對結構件造成的影響是不可忽視的。本文簡要介紹了挖掘機結構件生產過程中的焊接殘余應力問題，論述了焊接殘余應力的產生機理、焊接殘余應力的危害以及工業上廣泛采用的熱處理、振動時效和超聲波沖擊三種消除焊接殘余應力的方法，對工程機械企業消除殘余應力具有一定的參考價值。

關鍵詞： 超聲波沖擊;振動時效;熱處理;焊接殘余應力;挖掘機

【中圖分類號】TG441.7 ? ? 【文獻標識碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.32.280

作為當前我國制造裝備業不可或缺的重要組成之一的工程機械，在國民經濟發展過程中，特別是在國家大型公路、橋梁、隧道等基礎設施建設中都功不可沒。現在的工程機械，挖掘機械已經成為工程施工中最為重要的機械類型之一。1850年代，液壓挖掘機得及時產生，有效提升了土方施工的相關效率。現如今，全世界范圍內，各種種類的液壓挖掘機每年能售出約二十萬臺，并大約完成了全世界土方量的百分之七十，大有取代裝載機和推土機的趨勢。

1 焊接殘余應力的產生機理

焊接熱輸入通過由材料因素、制造工藝和結構剛度等組成的內外約束作用于金屬在焊接區域的運動，產生焊接殘余應力。材料因素是金屬繞熱源運動的內部約束，制造因素和結構因素是外部約束[1]。焊接過程中，焊縫高溫區材料的熱膨脹受到周圍低溫區材料的限制和擠壓，導致高溫區材料發生塑性變形;當焊件冷卻時，在高溫區發生塑性變形的材料，由于周圍材料的拉伸而不能自由收縮，因此在高溫區會產生溫度應力。于此同時，焊縫高溫區材料又會在高溫條件下發生二次相變，引起材料組織變化，進而產生體積變化，因此在高溫區材料內部又會產生相變應力。這種溫度應力和相變應力統稱為焊接殘余應力。

挖掘機中的主要結構件有五種，分別是：履帶梁、回轉支撐架、回轉底盤、鏟斗、斗桿、動臂等[2]。這些結構件的制造過程包括機加工、焊接、彎曲、切割、焊接等工序，這樣產生的參與拉應力是不可避免的，這將大大降低挖掘機的使用壽命。

2 焊接殘余應力的危害性

焊接殘余應力在焊接后的結構中是平衡的，但它會對結構的疲勞強度、剛度、強度、等力學性能產生很大的影響，對材料的物理力學性能也會產生很大的影響，這將對結構件的使用性能帶來極大的危害。主要表現在以下幾個方面：

2.1 對疲勞強度的影響

但在許多情況下，結構件表面的殘余應力為殘余拉應力，此時就有必要研究如何通過調整殘余應力的分布來提高結構件的疲勞壽命。而這又和考慮殘余應力對結構件變形的影響不同，后者考慮的是如何減小或者徹底消除殘余應力，以減小結構件的變形，提高結構件的穩定性[3]。實際上，由于有交變載荷的作用，研究殘余應力與疲勞強度的關系是非常困難的。

2.2 對結構件加工精度的影響

殘余應力在結構件內部是平衡的，但卻是不穩定的。在機加工過程中，當部分材料被切削去除后，切削平面內的材料發生塑性變形，導致殘余應力原來的平衡狀態被打破，殘余應力將重新分布，從而使結構件產生新的變形，進而導致加工精度降低。這也是實際生產過程中最為關注的問題之一。研究表明，具有表面殘余拉應力的結構件的變形穩定性遠遠低于具有表面壓應力的結構件。

2.3 對金屬脆性斷裂的影響

脆性斷裂是指結構件在幾乎沒有塑性變形的情況下突然開裂，最有可能發生在溫度突然下降或變形速度突然增加時，此時塑性變形處于約束狀態。當塑性變形突然受到較大的作用應力時，容易發生脆性斷裂[4]。殘余應力作為初始應力存在于結構件材料內部，特別是殘余拉應力，當其與外加拉應力疊加時，就會加速結構件的脆性斷裂。

2.4 對應力腐蝕開裂的影響

應力腐蝕開裂其特點是：一是殘余應力與腐蝕并存。二是由于材料成分、顯微組織和介質的不同，材料對應力腐蝕的敏感性也不同。有時在無腐蝕介質中，一些材料在殘余應力的作用下也會發生應力腐蝕。第三，在應力腐蝕開裂過程中，首先發生點蝕，然后逐漸擴展為裂紋。裂紋擴展主要沿垂直于最大主應力方向，主要沿晶界或穿過晶粒擴展。

3 焊接殘余應力的消除

焊接殘余應力的存在給工程實踐帶來了許多不利因素，特別是挖掘機械結構件的生產，其關鍵結構件幾乎都是焊接而成[5]。因此，如何通過消除焊接殘余應力或者調整焊接殘余應力的分布，來提高焊接結構件的疲勞性能和可靠性，是各挖掘機制造企業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構件的全部或部分加熱到相變點以下的某一適當溫度并保持一定時間，然后以一定的降溫速度緩慢冷卻至室溫的方法。這種方法使焊接結構件在內部金屬組織不發生轉變、不降低力學性能作為前提條件下，殘余應力區的金屬材料會產生一定的塑性變形，能夠很大程度上減少焊接在結構件內部的殘余應力，如此就可以增加焊接結構件的疲勞強度[6]。

4 結語

對挖掘機械的結構件來說，焊接殘余應力無法規避的方面，因為焊接結構件幾乎全部存在，這個無法避免的危害造成了很多問題，包括它會減少降低結構件的疲勞壽命，降低結構件的加工精度和尺寸穩定性，提高結構件的脆性斷裂敏感性，加速結構件的應力腐蝕開裂。在實際生產過程中，常常采用熱處理、振動時效和超聲波沖擊等方法，來消除焊接殘余應力或重新調整焊接殘余應力的分布，來提高焊接結構件的疲勞性能和可靠性。

參考文獻

[1] 尚坤.談挖掘機結構特點與維護保養技術[J].農機使用與維修，2019（10）：66.

[2] 鄒智紅.反鏟液壓挖掘機挖掘性能綜合評價體系構建及其應用研究[D].重慶大學，2019.

[3] 曹露露.挖掘機工作裝置疲勞壽命預測及極小子樣下可靠性評估方法研究[D].長安大學，2019.

[4] 王茄任，李文新，劉建，畢金敏.電控型挖掘機行走異常故障分析與排查[J].中小企業管理與科技（上旬刊），2019（04）：195-196.

[5] 韓偉平，白晶，張磊，秦勇.挖掘機履帶行走裝置脫軌故障分析[J].工程機械，2019，50（01）：55-59+8.

[6] 高二慶，李蒙，翁正干，王倩.挖掘機薄板結構件焊接變形分析及控制方法[J].現代制造技術與裝備，2018（12）：171-172+178.