平克楠

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024；山西省高端重型裝備智能制造重點科技創(chuàng)新平臺，山西 太原 030024）

1 概述

一些工作繁忙的A7級鑄造起重機(jī)門孔孔邊焊縫、箱型梁加筋板焊縫經(jīng)常出現(xiàn)較嚴(yán)重的開裂現(xiàn)象，通常用戶或制造廠都會采用焊接修復(fù)手段處理，但很多情況下，修復(fù)效果沒有明顯好轉(zhuǎn)。以此為工程背景，對圓弧角焊縫殘余應(yīng)力數(shù)值范圍及自然時效、敲擊處理、熱處理幾種工藝條件下的變化效果進(jìn)行比較和分析，為設(shè)計制造技術(shù)的改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)。本文的主要研究思路是對圓弧角焊縫殘余應(yīng)力可控程度進(jìn)行分析，對不同技術(shù)工藝的效果進(jìn)行比較。希望突破定性的技術(shù)分析思路，在可以量化的數(shù)據(jù)指導(dǎo)下，控制殘余應(yīng)力的初始范圍。

2 殘余應(yīng)力測試技術(shù)

焊接殘余應(yīng)力是由于焊接部位局部高溫加熱，在焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生的殘存于構(gòu)件內(nèi)的應(yīng)力，其數(shù)值、分布形態(tài)對焊接結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度都會產(chǎn)生很大的影響。因此，為了保證焊接結(jié)構(gòu)的可靠性，改善其使用性能，測定并掌握焊接殘余應(yīng)力在焊接結(jié)構(gòu)中的分布規(guī)律變得十分必要。殘余應(yīng)力的測量技術(shù)始于20世紀(jì)30年代，測量方法可分為機(jī)械釋放測量法和非破壞無損傷測量法2種。本試驗選用屬于機(jī)械釋放測量法的小孔釋放法測量焊接殘余應(yīng)力，是由德國學(xué)者J.Mathar于1934年提出，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用，具有操作簡單、測量方便等特點。

3 模擬實際焊接工藝的圓弧角焊縫試驗件

3.1 圓弧角焊縫試驗件

設(shè)計參數(shù)：實際產(chǎn)品門孔原型，開孔鋼板厚10 mm，加筋板厚20 mm。

技術(shù)要求：實際制造工藝，開孔邊角弧形，R150、R200組合件。

材料：Q345B。

焊接裝配間隙≤2 mm 3件，間隙≈5 mm 1件。

3.2 焊接工藝參數(shù)

焊接方法：氣體保護(hù)焊；

電焊機(jī)型號：良名電氣KR-500S；

焊接材料：ER50-6，φ1.2，80%Ar+20%CO2；

I＝280～300A，U＝27～30 V，V＝60～70 cm/min；

焊高△8，雙面焊接。

3.3 試驗件焊接裝配間隙

試驗件1、試驗件2、試驗件3焊接裝配間隙1～1.5 mm，試驗件4焊接裝配間隙約為5 mm。

圖1 圓弧角焊縫試驗件

3.4 殘余應(yīng)力測試點

沿每個試驗件的R150弧形焊縫和R200弧形焊縫分別布置5個殘余應(yīng)力測試點A，B，C，D，E，鉆孔點位于焊縫中心，φ2.0、孔深4 mm，如圖1所示。

A點為弧線與直線交點測試部位，B點為偏離A點22.5°的測試部位，C點為偏離A點45°的測試部位，D點為偏離A點67.5°的測試部位，E點為偏離A點90°的測試部位。

在實施每一種處理工藝后，新的一組殘余應(yīng)力測試點對應(yīng)為A′，B′，C′，D′，E′，各自位于距離原測試點20 mm的焊縫中心。

3.5 殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)解釋

殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)可以表示為每個部位的主應(yīng)力σ1和σ2，采用第四強(qiáng)度理論的合成應(yīng)力，比較殘余應(yīng)力的前后變化。

4 自然時效前后殘余應(yīng)力變化

4.1 自然時效前后殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)

試驗件1、試驗件2在制造后試驗（2011年1月）與自然環(huán)境放置16個月后試驗（2012年5月），前后殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)見表1.

表1 自然時效16個月前后的殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)

表2 敲擊試驗前后的殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)

表3 熱處理前后的殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)

表4 幾種工藝處理后的殘余應(yīng)力變化效果綜述

4.2 自然時效前后殘余應(yīng)力變化綜述

通過自然時效16個月前后的試驗，試驗件1 R150段自然時效16個月后的殘余應(yīng)力平均降幅17.1%，試驗件2 R150段自然時效16個月后的殘余應(yīng)力平均降幅17.7%.

同樣，試驗件1 R200段自然時效16個月后的殘余應(yīng)力平均降幅15.2%，試驗件2 R200段自然時效16個月后的殘余應(yīng)力平均降幅17.6%.

5 敲擊試驗前后殘余應(yīng)力變化

5.1 敲擊試驗方法

對試驗件2，沿R150段加墊φ10鋼筋，在測試部位手工敲擊，敲擊次數(shù)80次，敲擊頻率2次/s。為比較敲擊頻率的影響，再沿R200段加墊φ10鋼筋，在測試部位手工敲擊，敲擊次數(shù)80次，敲擊頻率改變?yōu)?次/s。

5.2 敲擊試驗前后殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)

敲擊試驗仍然在試驗件2上完成。殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)見表2.

5.3 敲擊試驗前后殘余應(yīng)力變化綜述

通過敲擊試驗前后的殘余應(yīng)力試驗，敲擊次數(shù)80次，敲擊頻率2次/s，試驗件2 R150段的殘余應(yīng)力平均降幅42.4%.改變敲擊頻率后，敲擊次數(shù)80次，敲擊頻率1次/s，試驗件2 R200段的殘余應(yīng)力平均降幅29.0%.

6 熱處理前后殘余應(yīng)力變化

6.1 熱處理工藝

將試驗件3、試驗件4放置于熱處理加熱爐內(nèi)，4 h升溫至510～520℃→爐內(nèi)保溫時間8 h→爐內(nèi)降溫時間5 h→出爐。

6.2 熱處理前后殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)

熱處理前后的殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)見表3.

6.3 熱處理前后殘余應(yīng)力變化綜述

通過熱處理前后的殘余應(yīng)力試驗，試驗件3 R150段熱處理后的殘余應(yīng)力平均降幅54.1%，試驗件4 R150段熱處理后的殘余應(yīng)力平均降幅66.0%.同樣，試驗件3 R200段熱處理后的殘余應(yīng)力平均降幅64.7%，試驗件4 R200段熱處理后的殘余應(yīng)力平均降幅62.0%.

7 自然時效、敲擊處理、熱處理效果評價

4組數(shù)據(jù)的測試結(jié)果顯示，自然時效16個月后殘余應(yīng)力平均降幅15.2%～17.7%.2組數(shù)據(jù)的測試結(jié)果顯示，敲擊處理后殘余應(yīng)力平均降幅明顯，并且與敲擊頻率有關(guān)，敲擊次數(shù)80次，敲擊頻率2次/s時，殘余應(yīng)力平均降幅42.4%；敲擊頻率1次/s時，殘余應(yīng)力平均降幅29.0%.4組數(shù)據(jù)的測試結(jié)果顯示，熱處理后殘余應(yīng)力平均降幅54.1%～66.0%.幾種工藝處理后的殘余應(yīng)力變化效果綜述見表4.

8 綜合結(jié)論

綜上所述，得出以下結(jié)果結(jié)論：①位于鑄造起重機(jī)箱型主梁開孔處的圓弧焊接角焊縫殘余應(yīng)力數(shù)值接近或稍高于外載荷作用下的工作應(yīng)力，因此焊縫殘余應(yīng)力對焊縫開裂的影響相當(dāng)于工作應(yīng)力產(chǎn)生的影響。②通過同組產(chǎn)品試驗件焊縫殘余應(yīng)力試驗，自然時效16個月后的殘余應(yīng)力降幅約為17%.③通過同組產(chǎn)品試驗件焊縫敲擊處理前后的殘余應(yīng)力試驗對比，焊縫殘余應(yīng)力降幅明顯，并且與敲擊頻率有關(guān)。這一結(jié)果對于易開裂焊縫局部區(qū)域的強(qiáng)化處理具有明確的啟示意義。④通過同組產(chǎn)品試驗件熱處理前后的殘余應(yīng)力試驗對比，焊縫殘余應(yīng)力降幅約為60%.這種工藝的效果非常明顯和有效，但對大型焊接產(chǎn)品難以實施，此時實施局部敲擊處理可以達(dá)到相似的效果。

［1］平克楠.冶金類繁重級別起重機(jī)運(yùn)行安全檢測及風(fēng)險點控制［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（32）：82-83.

［2］付榮柏.起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)焊接制造技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］李亞江，王娟.焊接缺陷分析與對策［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.