小孔法測起重機軌道殘余應力案例分析

起重機軌道截面多為工字形，軌道頂部為凸狀，底部配有一定寬度的平板以增加與基礎的接觸面，具有良好的抗彎強度。起重機軌道通常采用C、Mn含量較高的U71Mn鋼軋制而成?？紤]到起重機運行的平穩(wěn)性，通常需要焊接。然而，起重機軌道在焊接時接頭內(nèi)會產(chǎn)生較大的殘余應力，在使用過程中容易產(chǎn)生疲勞裂紋。

本文對起重機軌道進行堆焊及對接試驗，用小孔法測殘余應力分布情況，并分析其產(chǎn)生原因，最后，提出消除焊接殘余應力的方法。

試驗材料介紹

本次試驗采用150mm長110kg級軌道鋼作為母材分別進行對接、堆焊試驗。對對接接頭、堆焊分別采用焊條電弧焊、CO₂氣體保護焊進行焊接。選用直徑分別為4mm、5mm的大西洋焊材CHE50和直徑為4mm的J857作為110kg軌道鋼對接接頭的填充材料，選用直徑為1.4mm的京雷焊材GFL-71作為110kg軌道鋼堆焊的填充材料，選用濃度為99.99%的CO₂作為保護氣體。

使用儀器介紹

本次試驗殘余應力檢測儀采用聚航科技的JH-30殘余應力檢測儀和JHZK殘余應力鉆孔裝置，該儀器操作簡單，可直接讀出結果。

殘余應力檢測步驟

在測量之前，打開應變儀，連接好導線，電烙鐵要預先加熱，要準備好各種工具。

具體測量步驟如下：

1. 對試板表面進行處理，用砂輪去除焊縫余高，再用鐵刷或砂布去除試板表面的氧化皮和銹跡，然后用100目左右的砂布交叉打磨，達到Ra值3.2-6.4，用丙酮擦拭試板，初步去除試板表面的油污。根據(jù)試驗方案，用劃針輕輕劃出應變片粘貼位置。用棉花球或砂布蘸取丙酮多次擦洗，直至棉花球或砂布無污漬為止，徹底消除試板表面殘留鐵屑。表面處理是殘余應力測試過程中的一個重要環(huán)節(jié)，根據(jù)粘貼應變片的要求，必須保證試板粘貼表面無油污，清洗過的試板表面不得用手或其他物體接觸。

2. 應變片的粘貼

粘貼應變片之前，應檢查應變片的外觀，防止應變片質(zhì)量問題對試驗帶來不利影響。用棉花蘸少量丙酮對應變片粘貼面進行表面處理，去除可能存在的油污。采用502膠水進行貼片，在試板應變片粘貼標記位置滴上一小滴膠液，然后放置在工件表面，此時，可以微動應變片，以確保應變片的位置正確。最后在應變片上面覆蓋一張聚四氟乙烯薄膜，用大拇指壓1-2分鐘后，檢查貼片是否成功。

3. 焊接應變片引線

用502膠將端子粘在被測物件上，用20-30w電烙鐵將引出線與端子焊接起來，再把端子與導線焊接起來。應力測量儀調(diào)零，觀察應力測量儀數(shù)值是否穩(wěn)定，若不穩(wěn)定，要重新檢查應變片的焊接點是否焊好或應變片是否與其他金屬接觸導致短路。

4. 鉆孔

選用尺寸Φ1.5mm的鉆頭，打開手電鉆對準應變片上的中心點鉆孔，保持阻力盡可能穩(wěn)定，并垂直于工件表面，壓力適中，直鉆到預定孔深，拔出鉆桿。待10-20分鐘后，直到顯示器上的讀數(shù)逐漸穩(wěn)定后，按打印按鈕，直到數(shù)據(jù)自動打印出來。

5. 按同樣的方法依次對所有點進行測量

數(shù)據(jù)分析

根據(jù)對接接頭不同位置處縱向殘余應力的變化曲線，發(fā)現(xiàn)焊縫中心處殘余應力最大，距離焊縫中心越遠，殘余應力越小。另外，還發(fā)現(xiàn)軌道蓋面層處測得的殘余應力比其他部位的殘余應力要高，這可能是由兩方面原因造成的。首先，該處選擇的焊材為耐磨材料，具有較高的硬度和拘束力；其次，該位置處于軌道最上面，焊接層數(shù)最多。根據(jù)軌道兩側堆焊層不同位置的殘余應力曲線可知，焊縫中心處殘余應力最大，距離焊縫越遠，殘余應力越小。該部位的焊接殘余應力明顯高于對接接頭，這與軌道在使用過程中容易在該位置形成疲勞裂紋，造成焊接構件損壞是相吻合的。

結論

通過對起重機軌道小孔法測殘余應力結果，得出以下結論；

1. 焊縫中心殘余應力最大，且離焊縫中心越遠，殘余應力越小，主要原因是焊縫中心熱輸入最大。

2. 在軌道蓋面層處測得的殘余應力高于其他位置。這可能是由兩個原因造成的。首先，該處選擇的焊材為耐磨材料，具有較高的硬度和拘束力；其次，該位置處于軌道最上面，焊接層數(shù)對多。

1. 3.軌道堆焊處殘余應力明顯高于對接接頭。這可能是由于對接焊時使用了工裝來控制其變形，而堆焊過程中沒有使用工裝來限制其變形，從而形成較大的殘余應力。