李陽

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力，對結(jié)構(gòu)件造成的影響是不可忽視的。本文簡要介紹了挖掘機結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)過程中的焊接殘余應力問題，論述了焊接殘余應力的產(chǎn)生機理、焊接殘余應力的危害以及工業(yè)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(yè)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(yè)不可或缺的重要組成之一的工程機械，在國民經(jīng)濟發(fā)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?，F(xiàn)在的工程機械，挖掘機械已經(jīng)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(chǎn)生，有效提升了土方施工的相關效率?，F(xiàn)如今，全世界范圍內(nèi)，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(chǎn)生機理

焊接熱輸入通過由材料因素、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)域的運動，產(chǎn)生焊接殘余應力。材料因素是金屬繞熱源運動的內(nèi)部約束，制造因素和結(jié)構(gòu)因素是外部約束[1]。焊接過程中，焊縫高溫區(qū)材料的熱膨脹受到周圍低溫區(qū)材料的限制和擠壓，導致高溫區(qū)材料發(fā)生塑性變形;當焊件冷卻時，在高溫區(qū)發(fā)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(qū)會產(chǎn)生溫度應力。于此同時，焊縫高溫區(qū)材料又會在高溫條件下發(fā)生二次相變，引起材料組織變化，進而產(chǎn)生體積變化，因此在高溫區(qū)材料內(nèi)部又會產(chǎn)生相變應力。這種溫度應力和相變應力統(tǒng)稱為焊接殘余應力。

挖掘機中的主要結(jié)構(gòu)件有五種，分別是：履帶梁、回轉(zhuǎn)支撐架、回轉(zhuǎn)底盤、鏟斗、斗桿、動臂等[2]。這些結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(jié)構(gòu)中是平衡的，但它會對結(jié)構(gòu)的疲勞強度、剛度、強度、等力學性能產(chǎn)生很大的影響，對材料的物理力學性能也會產(chǎn)生很大的影響，這將對結(jié)構(gòu)件的使用性能帶來極大的危害。主要表現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(diào)整殘余應力的分布來提高結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命。而這又和考慮殘余應力對結(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(jié)構(gòu)件加工精度的影響

殘余應力在結(jié)構(gòu)件內(nèi)部是平衡的，但卻是不穩(wěn)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(nèi)的材料發(fā)生塑性變形，導致殘余應力原來的平衡狀態(tài)被打破，殘余應力將重新分布，從而使結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生新的變形，進而導致加工精度降低。這也是實際生產(chǎn)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(jié)構(gòu)件的變形穩(wěn)定性遠遠低于具有表面壓應力的結(jié)構(gòu)件。

2.3 對金屬脆性斷裂的影響

脆性斷裂是指結(jié)構(gòu)件在幾乎沒有塑性變形的情況下突然開裂，最有可能發(fā)生在溫度突然下降或變形速度突然增加時，此時塑性變形處于約束狀態(tài)。當塑性變形突然受到較大的作用應力時，容易發(fā)生脆性斷裂[4]。殘余應力作為初始應力存在于結(jié)構(gòu)件材料內(nèi)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)中，一些材料在殘余應力的作用下也會發(fā)生應力腐蝕。第三，在應力腐蝕開裂過程中，首先發(fā)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(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)，其關鍵結(jié)構(gòu)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(diào)整焊接殘余應力的分布，來提高焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞性能和可靠性，是各挖掘機制造企業(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(jié)構(gòu)件在內(nèi)部金屬組織不發(fā)生轉(zhuǎn)變、不降低力學性能作為前提條件下，殘余應力區(qū)的金屬材料會產(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)部的殘余應力，如此就可以增加焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞強度[6]。

4 結(jié)語

對挖掘機械的結(jié)構(gòu)件來說，焊接殘余應力無法規(guī)避的方面，因為焊接結(jié)構(gòu)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(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)件的應力腐蝕開裂。在實際生產(chǎn)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(diào)整焊接殘余應力的分布，來提高焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞性能和可靠性。

參考文獻

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[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(yè)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.

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