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1、! ! ! ! ! !研究与应用!“#“$%& ( )*+,&$-,./!“# # #!“# # #!“#“ 年第 ! 期$焊接与切割 !“ #$%&!()*+,-./01“ 2(#热加工工程机械结构件焊接应力的消除分析山东卡特重工有限公司山东卡特重工有限公司! ! ! ! ! ! ! ! ! （临沭临沭! “#$#%&! “#$#%&）! ! 钟玉柱钟玉柱国家工程机械质量监督检验中心国家工程机械质量监督检验中心! ! （北京北京! %“%! %“%）! ! 张张! ! 博博山东临沭县经信局山东临沭县经信局! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! （“#$#“#$#）! ! ! !
2、! ! ! 鲁守平鲁守平! !【摘要】! 介绍了工程机械结构件焊接残余应力的产生、应力的危害以及减少残余应力的几种方法，通过对焊接燕尾铲形接头应力和端孔接头应力的有限元分析，论证采用这种方法对减小焊接残余应力，防止结构件疲劳开裂的重要作用。挖掘机是工程机械的重要施工设备，广泛应用于建筑工程、城市改造、园林施工以及水利建设等基础设施施工，在国民经济建设中发挥着巨大的作用，而承受整机重量的下部行走底架、上部旋转平台、工作装置动臂斗杆铲斗等零部件为焊接结构件，各部件之间多采用焊接连接。焊接质量的高低直接影响着产品整机中结构件的质量，焊接中的焊接应力和变形又直接决定焊接结构件的使用寿命和可靠性。由此可
3、见，消除或降低焊接应力和变形对提高工程机械结构件的产品质量十分重要。一、焊接变形和焊接应力（“）焊接变形! 焊接是一个不均匀加热的过程，在焊接过程中必然会出现焊接变形。焊接变形常有纵向收缩变形、横向收缩变形、弯曲变形、角变形、波浪变形和扭曲变形等 # 种形式，除了焊接结构件发生局部变形外，有时也会发生整体变形，而产生焊接变形的根本原因是焊后焊缝的纵向和横向的应力造成的。（$）焊接应力! 主要有以下三个方面：!热应力。它与加热温度及加热的不均匀程度、焊件的刚度及焊件材料的热物理性能等因素有关，是不均匀加热过程和不均匀冷却过程中所产生的应力。“相变应力。焊接金属发生相变时，接头区域内部产生不均匀组
4、织转变而引起的内应力。#拘束应力。由于构件本身或外加的刚性拘束作用等原因引起构件产生拘束应力。二、产生的危害一般来说，焊件的焊接变形和应力是相伴存在的，有时焊接变形的危害和焊接残余应力对焊件的危害同样大。#% 焊接变形对结构危害焊接变形使焊件或组装部件的形状尺寸发生较大变化，不但会降低装配精度，同时还会使产品零件或部件直接报废。另外，由于上述 # 种焊接变形现象也会使结构件承受工作载荷时产生附加应力，因而大大降低结构件的实际承载能力，甚至会发生断裂事故。!% 焊接应力对结构件的危害焊接应力是造成各种焊接接头和其附近的焊接母材内裂纹的重要因素。焊接时，各种焊接接头和其附近的焊接母材在温度的影响下
5、，金属组织状态发生变化以及焊接结构外在拘束度等各种条件的共同作用下，将会形成热裂纹、冷裂纹及再热裂纹，造成潜在危险因素。在生产过程中若已经发现宏观裂纹或经焊缝探伤检验发现存在裂纹的焊接结构件则应返修，严重者需要报废。由于焊接应力的存在，降低了结构件焊接接头区的实际工作承载能力。尤其是当焊接结构件不是单纯的承受静载荷，而是承受动载交变载荷时，当外部动载荷产生的应力与结构件中的应力相叠加，其应力之和达到结构件的受力屈服点时，丧失了承受外载的能力，结构的刚度也随之降低，同时，焊接接头处会引起裂纹，导致%&!“#“$%& ( )*+,&$-,./研究与应用! ! ! ! ! !热加工焊接与切割! “#
6、$# 年第 “ 期!“# # #!“# # #!“ #$%&!()*+,-./01“ 2(#产品失效或报废。在腐蚀介质中工作的焊接构件，拉伸残余应力和化学腐蚀共同作用产生应力腐蚀开裂，极大缩短了结构件的使用寿命，造成极大的经济损失。三、减少焊接应力的方法影响焊接变形和应力的因素除焊缝在结构件中的位置、焊接结构件的刚性、焊接结构件的装配及焊接顺序等外，还有焊接材料的线膨胀系数、焊接方法、焊接参数、焊接方向、焊接结构的自重和形状、焊缝装配间隙过大及坡口角度过大等，焊接工人的技术水平、焊接环境的影响等各种因素也不容忽视。但是各种影响焊接变形和应力产生的因素并不是孤立地起作用的，这就要求在分析焊接结构
7、的应力和变形时，要考虑各种影响因素，以便能制定出较合理的防止或减少焊接变形和焊接应力的措施方法。应力是由变形引起的，针对不同种类的焊接变形和应力分布，追根溯源，减小和防止焊接时焊件的形状发生大的变化。$% 防止焊件变形的方法（“）选择焊接材料结构! 焊接时，如挖掘机的平台外围部件，由多个零件焊接，改用异形型材或成形板材结构，化零为整，减少焊缝数量，不仅减少焊接工作量和矫正变形的工作量，提高生产效率，降低生产成本，更重要的是减少了焊接变形，提高了部件的产品质量。（#）选择接头和坡口形式! 根据部件的实际情况，选择接头和坡口形式。根据经验数据显示，对接接头 $形坡口单面焊时坡口角度大，焊缝横向收缩
8、比大，因而角变形较大，相对于 % 形坡口双面焊横向收缩变形严重程度 “& ( “)，所以，对于较大的对接接头采用 %形坡口代替 $ 形坡口，在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下，尽可能采用较小的坡口尺寸减小焊缝，减少焊接变形。（*）布置焊缝位置和焊接方法! 对直接承受动力荷载的焊缝，焊缝位置尽可能靠近并对称于结构件的中心轴，采取合理的焊接顺序，根据部件的焊接形式，低碳钢连续角焊缝的纵向收缩变形量为 &+ #& ( &+ ,&-. -，间断角焊缝纵向收缩变形量为 & ( &+ “&-. -，所以，应尽量在图样上明确标出具体位置采用间断焊缝，减少变形量；经验数据显示，/ 形接头和搭接接头焊条电弧交错
9、间断焊和埋弧焊的角焊缝角变形较小，尽可能选用这种焊接形式，厚板焊接尽可能采用多层焊代替单层焊，可大大减少焊缝金属，减少焊接变形量。常用的工艺措施有：反变形法、选择合理的装配焊接顺序和预拉伸法，可以达到减少焊缝弯曲变形的效果。刚性固定法也可以用来限制焊接变形，但这种用夹具、支撑板筋等措施以增加刚性来控制变形的方法却增加了焊接残余应力，对于承载动载荷的结构件存在极大隐患，应尽可能不用。“% 防止焊接应力的方法采取防止焊接件变形的方法，同时也在减少焊接残余应力方面起着重要的作用。对于很多焊接节点复杂，承载动载荷大，使用条件恶劣的重要结构件焊后消除内应力，焊前改进焊缝设计和焊接工艺，调节内力，降低残余
10、应力的峰值。（“）焊后消除内应力! 利用机械力消除应力。常用的方法是锤击焊缝表面，适用大厚件韧性材料焊接焊缝；抛丸机除锈，通过钢丸均匀敲打来抵消结构件的焊接应力；机械拉伸法是对一些焊后需要进行液压试验的焊接件进行一次相当于机械拉伸的膨胀，从而通过液压试验，消除了部分焊接残余应力。另外，常用的有温差拉伸法和热时效整体高温回火法。温差拉伸法与机械拉伸法消除焊接残余应力的基本原理相同，其不同点是利用局部加热的温差来拉伸焊缝区。据测定，消除的效果可达 )& (0&。热时效整体高温回火法消除应力，即将焊件放在热处理炉内加热到一定温度和保温一定时间，利用材料在高温下屈服极限的降低，使内应力高的地方产生塑性
11、流动，弹性变形逐渐减少，塑性变形逐渐增加而使应力降低。实践表明，该法效果最好，可消除 1& (2&的残余应力。振动时效是在其固有频率下进行数分钟至数十分钟的振动处理，以振动的形式给工件施加附加应力，当附加应力与残余应力叠加后，达到或超过材料的屈服极限时，工件发生微观或宏观塑性变形，从而降低和均化工件内的残余应力，使尺寸精度获得稳定的一种方法。振动时效设备（见图 “）主要用于降低和均化工件的残余内应力，防止工件变形和开裂，具有耗能少、时间短、效果显著等特点。与热时效相比，它无需庞大的时效炉，可节省占地面积与昂贵的设备投资。)*! ! ! ! ! !研究与应用!“#“$%& ( )*+,&$-,./!“# # #!“# # #!“#“ 年第 ! 期$焊接与切割 !“ #$%&!()*+,-./01“ 2(#热加工“#!“#“$%& ( )*+,&$-,./研究与应用! ! ! ! ! !热加工焊接与切割! “#$# 年第 “ 期!“# # #!“# # #!“ #$%&!()*+,-./01“ 2(#“#
