砼管支撐加強環(huán)焊接工藝研究

吳香清，尚保玉，彭和永

（中聯(lián)重科國家混凝土機械工程技術(shù)研究中心，長沙 410013）

0 引言

泵車工作過程中混凝土通過砼管輸送，而砼管通過支撐架對其固定和支撐。砼管支撐由支撐和加強環(huán)兩部分組成，其中，砼管支撐在每年春季容易形成延遲裂紋。經(jīng)觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋起裂于焊縫與臂架腹板的焊趾位置，裂透臂架腹板，沿其焊趾擴展，多達2/3圈，但裂紋不向焊縫擴展。

本文通過對混凝土泵車臂架上砼管支撐加強環(huán)焊后焊趾開裂的現(xiàn)象進行分析，同時通過MSC.Marc焊接數(shù)值計算，分析結(jié)構(gòu)拘束對焊接殘余應(yīng)力的影響，闡述砼管支撐加強環(huán)開裂的原因。

1 砼管支撐加強環(huán)焊接結(jié)構(gòu)

砼管支撐加強環(huán)與臂架焊接結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。臂架的左右腹板與蓋板形成焊件，然后將加強環(huán)焊在臂架腹板上，形成加強環(huán)焊縫（計算焊縫）；然后再將砼管支撐與加強環(huán)和臂架腹板進行焊接。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

2 開裂原因分析

2.1 擴散氫因素

加強環(huán)焊趾開裂多數(shù)出現(xiàn)的時段正好是春季，其潮濕度高，鋼板表面吸潮，水分在焊接時分解，進入焊縫，形成擴散[H]原子，[H]通過擴散進入半熔化區(qū)和熱影響區(qū)。由于半熔化區(qū)的晶界熔化特性，較多的[H]保留在半熔化區(qū)的晶界，致使裂紋起裂于焊趾部位[1-3]。因此，當(dāng)濕度高于85%時，焊縫區(qū)必須預(yù)熱至50～80 ℃后再焊接。

2.2 焊接熱輸入因素

砼管支撐材料為Q345，焊接性相對較好，但由于焊接位置、接頭形式等因素的影響，也應(yīng)該嚴(yán)格控制焊接熱輸入。熱輸入過大會使熱影響區(qū)奧氏體晶粒粗化（粗晶脆化）[4]，接頭韌性下降，降低其抗裂性能；熱輸入過小，則冷卻速度大，易產(chǎn)生淬硬組織（馬氏體等），增大冷裂傾向。此外，控制焊接熱輸入也能降低焊接殘余應(yīng)力。

2.3 焊接殘余應(yīng)力因素

由焊接結(jié)構(gòu)的拘束作用，導(dǎo)致焊接變形不能自由收縮，形成應(yīng)力，并保留在焊接結(jié)構(gòu)中。這種應(yīng)力為拉應(yīng)力，拉應(yīng)力越大，開裂的風(fēng)險就越大。

高強鋼等焊接結(jié)構(gòu)受力時在有焊接缺欠或結(jié)構(gòu)形式突變處產(chǎn)生應(yīng)力集中。應(yīng)力峰值與平均應(yīng)力之比為應(yīng)力集中系數(shù)Kt，缺欠的長軸垂直于受力方向，尖端越尖銳，Kt越大。當(dāng)應(yīng)力峰值達到該區(qū)材料屈服強度時產(chǎn)生塑性變形，達到塑性極限時即啟裂、擴展，可能由于應(yīng)力松弛而止裂，也可能擴展到以臨界尺寸而斷裂。焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，從宏觀上說，大多起源于焊接缺陷或者結(jié)構(gòu)不連續(xù)處；從微觀上說，微觀缺陷處的應(yīng)力集中產(chǎn)生局部滑移也會萌生裂紋而形成裂源。

高強鋼等焊接應(yīng)力峰值與工作應(yīng)力同向相加時，如果在某區(qū)達到屈服強度會產(chǎn)生局部塑性變形，如果該區(qū)塑性、韌性足夠，卸載后會使應(yīng)力重新分布而降低應(yīng)力峰值。但如果該區(qū)塑性、韌性不足，可能會在此區(qū)出現(xiàn)微裂紋和擴展，若遇到裂紋擴展阻力大的組織或者應(yīng)力松弛就可能止裂，以后繼續(xù)擴展—止裂—再擴展，直至疲勞斷裂；如果遇到低溫、沖擊以及材料的塑性和韌性很差時，則可能啟裂后快速擴展而瞬間斷裂[5-6]。

3 結(jié)構(gòu)拘束對焊接殘余應(yīng)力的影響分析

下面利用數(shù)值模擬計算砼管支撐焊接結(jié)構(gòu)在不同拘束方式下的焊接殘余應(yīng)力。

3.1 結(jié)構(gòu)物理模型

臂架腹板的砼管支撐孔處采用加強環(huán)進行局部加強，加強環(huán)與腹板焊接，砼管支撐與加強環(huán)和腹板焊接，形成圖1 所示結(jié)構(gòu)。將實物轉(zhuǎn)化為物理模型，將帶加強環(huán)的轉(zhuǎn)換為圖2所示結(jié)構(gòu)，不帶加強環(huán)的轉(zhuǎn)換為圖3所示結(jié)構(gòu)。

圖2 帶加強環(huán)的結(jié)構(gòu)

圖3 不帶加強環(huán)的結(jié)構(gòu)

3.2 結(jié)構(gòu)計算模型

圖4所示為帶加強環(huán)的砼管支撐拘束示意圖，其中圖4（a）焊接順序為先焊腹板加強環(huán)與腹板的焊縫，再焊砼管支撐與加強環(huán)及腹板的焊縫，拘束焊位于腹板外圈；圖4（b）焊接順序為先焊砼管支撐與加強環(huán)及腹板的焊縫，再焊加強環(huán)與腹板的焊縫，拘束焊位于砼管支撐孔內(nèi)。

圖4 帶加強環(huán)結(jié)構(gòu)砼管支撐的拘束焊示意圖

圖5 所示為不帶加強環(huán)的砼管支撐拘束示意圖，其焊接順序為先焊腹板與蓋板主焊縫，再焊砼管支撐與腹板焊縫，拘束焊位于腹板外圈。

圖5 不帶加強環(huán)結(jié)構(gòu)砼管支撐的拘束焊示意圖

3.3 材料計算物理參數(shù)

本文計算采用材料物理參數(shù)為屈服強度780 MPa，抗拉強度860 MPa，泊松比0.33，密度7 800 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)40。

3.4 邊界條件

共施加了3類邊界條件。

（1）第1類：位移控制邊界條件，即在拘束節(jié)點的位移為0。

（2）第2類：換熱邊界條件，焊件的邊界與周圍介質(zhì)主要通過對流和輻射兩種方式換熱[7]。

泥石流的形成與發(fā)生一般在交通條件較差、海拔相對較高的山區(qū)，使得實地勘察十分困難。20世紀(jì)80年代以來，隨著遙感技術(shù)的高速發(fā)展，遙感開始廣泛應(yīng)用于泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的勘察和研究。90年代以后，遙感技術(shù)已經(jīng)成為我國泥石流等地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、研究的必不可少的工具。目前，針對泥石流的特點及現(xiàn)場勘察工作的難點和盲區(qū)，遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于泥石流分布、泥石流危險性分析與評價、流域內(nèi)土地利用特征等方面的研究。目前來看，運用遙感的技術(shù)手段對泥石流災(zāi)害進行研究和分析是比較方便的，且能真實和準(zhǔn)確的反映泥石流的特征，遙感的技術(shù)手段也比較成熟。

（3）第3類：焊接熱源邊界條件，本文采用雙橢球熱源模型[8]，固定熔池最高溫度和焊接速度，雙橢球熱源模型如圖6所示[7-8]，其熱源控制方程如下。

圖6 雙橢球熱源模型

在雙橢球熱源模型中，前半部分橢球模型定義為：

后半部分橢球定義為：

式中：a、b分別為橢球的x、y半軸長度；c1、c2分別為前后橢球體z向的半軸長度；ff、fr分別為前后橢球的熱源集中系數(shù)，ff+fr=2；Q為熱輸入量，Q=ηUI（η為電弧的熱效率）；v為焊接速度。

3.5 計算結(jié)果

圖7所示為根據(jù)模擬計算結(jié)果繪制的不同拘束對不同焊接結(jié)構(gòu)位置與應(yīng)力關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出：

（1）A1為圖4（a）所示帶加強環(huán)的結(jié)構(gòu)對應(yīng)的曲線，其拘束位于砼管支撐加強環(huán)焊接結(jié)構(gòu)的腹板周圈，腹板最高焊接殘余拉應(yīng)力位于腹板焊趾外7.0 mm處，最高殘余拉應(yīng)力為940 MPa；

（2）A2為圖4（b）所示帶加強環(huán)的結(jié)構(gòu)對應(yīng)的曲線，其拘束位于砼管支撐加強環(huán)焊接結(jié)構(gòu)的孔內(nèi)壁，腹板最高焊接殘余拉應(yīng)力位于腹板焊趾外5.5 mm處，最高殘余拉應(yīng)力為555 MPa；

（3）B 為圖5 所示不帶加強環(huán)的結(jié)構(gòu)對應(yīng)的曲線，其拘束位于腹板外圈，腹板最高焊接殘余拉應(yīng)力位于腹板焊趾外9.5 mm 處，最高殘余拉應(yīng)力為685 MPa。

圖7 不同拘束及焊接順序下的應(yīng)力曲線

從曲線圖可以得出以下結(jié)論。

（1）最高應(yīng)力均位于焊趾外，但開裂位置并非最高應(yīng)力處，而是焊趾處，這說明開裂還與擴散[H]分布特點等因素相關(guān)。

（2）殘余應(yīng)力：A1＞A2＞B，因此，砼管支撐結(jié)構(gòu)盡量選擇不帶加強環(huán)的結(jié)構(gòu)，如過腹板太薄必須采用加強環(huán)進行加強，則需參考A2曲線所示焊接順序進行焊接，即先焊砼管支撐與加強環(huán)及腹板的焊縫，再焊加強環(huán)與腹板的焊縫。

4 應(yīng)用與分析

通過計算表明，改變焊接結(jié)構(gòu)的拘束或焊接順序，可以明顯降低焊接殘余應(yīng)力，從而避免焊接開裂情況。根據(jù)模擬結(jié)果，將砼管支撐結(jié)構(gòu)進行如下優(yōu)化：

（1）當(dāng)砼管支撐處腹板厚度大于或等于10 mm時，取消砼管支撐加強環(huán)，即圖5所示結(jié)構(gòu)；

（2）當(dāng)砼管支撐處腹板厚度小于10 mm 時，砼管支撐采用加強環(huán)進行加強，焊接順序為先焊砼管支撐與加強環(huán)及腹板的焊縫，再焊加強環(huán)與腹板的焊縫，即圖4（b）所示結(jié)構(gòu)及焊接順序。

5 結(jié)束語

（1）臂架砼管支撐的破壞類型有焊接裂紋（主要冷裂紋）、焊接結(jié)構(gòu)的延性破壞和脆性破壞、疲勞破壞，但以冷裂紋、疲勞開裂為主。

（2）擴散氫、焊接參數(shù)以及焊接結(jié)構(gòu)拘束所致的焊接殘余拉應(yīng)力是影響砼管支撐加強環(huán)焊趾開裂的主要因素。

（3）通過焊前預(yù)熱、控制焊接參數(shù)、改變鉚焊及裝配順序、設(shè)計改進等一系列措施，可顯著提高砼管支撐焊縫質(zhì)量，減少開裂。