挖掘機動臂焊接應(yīng)力消除方法

以往焊接應(yīng)力消除方法大多采用熱處理，但這種方法耗能大、成本高，且大型或者復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)還需專門的熱處理爐?，F(xiàn)在需要對挖掘機動臂進(jìn)行焊接應(yīng)力消除，其長6.45m，寬1.6m，重2.37t，如果采用熱處理消除殘余應(yīng)力是相當(dāng)困難的。所以需要尋找其他替代方法。振動時效工藝具有投資少、節(jié)約能源、效率高等優(yōu)點，特別適用于大型構(gòu)件。

本次實驗先對小試板進(jìn)行振動時效的基礎(chǔ)上，以大型的焊接構(gòu)件作為試驗對象，采用快速、無損的磁測法測定殘余應(yīng)力分布。

動臂是挖掘機工作裝置中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，由于要承受較大的工作載荷，因此在內(nèi)部加了許多筋板，以增大剛性，整個動臂經(jīng)過多次拼接、焊接而成。主要焊縫有上下蓋板和側(cè)板間的焊縫1，側(cè)板和中梁圓套筒之間的圓形焊縫2。焊縫1采用co₂氣體保護(hù)焊，焊絲是H08MnSiA，Φ1.6mm，電流260-300A，焊速6.6mm/s。焊縫2采用手工電弧焊，焊前預(yù)熱100-150℃，焊條是結(jié)506,Φ4mm，焊接電流是160-190A。動臂所使用的材料是16Mn鋼。

通過對動臂進(jìn)行強度分析，確定在使用過程中，中梁附近是危險的截面段。所以，選擇該截面段內(nèi)的兩個截面進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測，了解其殘余應(yīng)力分布狀況。采用磁測法測殘余應(yīng)力，所使用的設(shè)備是聚航科技生產(chǎn)的JH-60三維應(yīng)力磁測系統(tǒng)。

小試板振動消除應(yīng)力

在對動臂消除應(yīng)力前，先對小試板進(jìn)行振動時效，觀其在平臺振動的情況下，殘余應(yīng)力的變化情況，另外，改變振動時間，觀其效果。

試板是由兩塊16Mn鋼板對接而成，采用埋弧自動焊，焊接規(guī)范如下：開坡口的一面先焊，電流550A，焊速6.9mm/s;未開坡口面焊接電流為580A，焊速6.8mm/s。

為了驗證振動時效效果，要分別檢測振前、振后殘余應(yīng)力數(shù)值。

將小試板固定在平臺上，在合適的共振頻率下振動15min、35min、50min。根據(jù)峰值處的下降率可以證明，振動時效可以消除殘余應(yīng)力。比較不同振動時間后的效果，殘余應(yīng)力分布是相似的，振動時間35min效果*好。

動臂焊接應(yīng)力消除

振動消除殘余應(yīng)力的效果是與許多因素有關(guān)的，如振動頻率、時間、動應(yīng)力值，結(jié)構(gòu)支撐方式、激振器位置。動臂是一個大型結(jié)構(gòu)，剛性大、重量也大，若將其平躺在地上，無法達(dá)到*大限度地降低殘余應(yīng)力的目的。另外，從動臂工作中實際受力狀態(tài)考慮，可采用以下支撐方式。

E、F分別是正對激振器下和中梁孔下蓋板中部的點，在E、F點貼應(yīng)變片，以監(jiān)測動應(yīng)力值及振動頻率。

啟動電機，并在合適的共振頻率（65HZ）上振動30min，E和F的動應(yīng)力值分別為12.9N/mm²和9.3N/mm²。振動過程中，觀察電機參數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)激振器電樞電流有明顯的下降，說明殘余應(yīng)力降低了。

振完后再測定其殘余應(yīng)力，分析對比振前、振后殘余應(yīng)力數(shù)值，可以看出峰值處的殘余應(yīng)力下降了。

動臂中殘余應(yīng)力的分布及成因

對動臂Ⅰ測區(qū)的點，縱橫向殘余應(yīng)力都是拉應(yīng)力，縱向殘余應(yīng)力在焊縫附近較大，甚至超過了屈服極限，橫向殘余應(yīng)力較小。造成這樣殘余應(yīng)力分布的原因是由于焊縫1和焊縫2相距較近，共同收縮，導(dǎo)致兩焊縫之間縱橫向殘余應(yīng)力都成為拉應(yīng)力。對于Ⅱ測區(qū)的點，縱向殘余應(yīng)力在焊縫處也達(dá)到屈服。從焊縫1向里，由拉變壓，又變成拉，而橫向殘余應(yīng)力數(shù)值變化不大，這與一般較寬的板在兩邊堆焊時，殘余應(yīng)力分布情況相似。

振動規(guī)范的選擇及振動結(jié)果

振動頻率：殘余應(yīng)力對共振振動很敏感，因為此時能量大，振動時間短，國內(nèi)外推薦100Hz以下的共振點。

振動時間：應(yīng)分成兩種情況來考慮。若動應(yīng)力較小，許多試驗都證明以30min為*佳。若動應(yīng)力較大，振動時間不宜過長，振動循環(huán)的有限幾周內(nèi)殘余應(yīng)力便下降到一定水平，以后再循環(huán)，清除殘余應(yīng)力的效果就不明顯。

振動動應(yīng)力：振動過程中，動應(yīng)力的選擇很重要。從能量輸入的觀點看，它與輸入的能量有關(guān)。從力學(xué)角度看，動應(yīng)力越大，與殘余應(yīng)力相迭加，塑性變大，消除應(yīng)力效果好。但過大的動應(yīng)力，且振動時間較長時，會對結(jié)構(gòu)造成疲勞損傷，基于這個原因和廠家出于安全可靠的要求，在本文中，對承受動載的挖掘機動臂振動時，選用了小于20N/mm²的動應(yīng)力。

從殘余應(yīng)力分布圖可以看到，振動確實可以消除部分殘余應(yīng)力，峰值處的殘余應(yīng)力有所下降，個別點的殘余應(yīng)力有所上升，這是由于應(yīng)力重新分布造成的。

結(jié)論

1. 用磁測法測出了動臂中的殘余應(yīng)力分布，振動時效前應(yīng)力水平是較高的，處理后明顯降低和均化。

2. 對給定的對接試板進(jìn)行振動，峰值殘余應(yīng)力有所降低，*佳時間為35min。對動臂進(jìn)行振動，峰值應(yīng)力也有所下降，個別點的殘余應(yīng)力有所上升，但幅度很小。

3. 對結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動時，動應(yīng)力不宜過大。當(dāng)動應(yīng)力較大時，振動時間不能太長，否則會對結(jié)構(gòu)造成疲勞損傷。

4. 振動對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)尺寸是不容懷疑的，可以應(yīng)用到工程中。