集裝箱正面吊臂架開裂的原因分析與修復改進

李寧

（哈爾濱工程機械制造有限責任公司，哈爾濱 150066）

1 引言

我公司生產的集裝箱正面吊是一種港口集裝箱堆碼、裝運機械，最大起重量46t，吊臂承受較大載荷，臂架主結構采用Q460c 高強度結構鋼板［1］，由上、下蓋板和腹板焊接成為箱式矩形截面。本文主要通過研究吊臂開裂的原因和修復方法等幾個方面探討工程機械受力構件的焊接工藝。

2 裂紋產生原因

圖1 為吊臂的裂紋位置圖，裂紋主要分布在主梁上蓋板臂頭處（裂紋Ⅰ）和主梁下蓋板鉸支座兩側（裂紋Ⅱ）。根據對吊臂裂紋產生的位置進行分析，造成該裂紋主要有以下原因［2］：（1）環境溫度：該吊臂的加工時間大約為12 月份左右，此時正值北方低溫環境，由于焊接時溫差較大，極有可能產生脆斷裂紋。（2）應力集中：該吊臂是新型產品，局部結構采用尖角直棱過渡，很容易造成應力集中，長時間的工作積累就會產生裂紋。（3）加載速率：該吊臂是主要的受力構件，吊載的大部分載荷都作用其上，而且帶載伸縮作用頻繁，這也是造成裂紋的因素之一。

圖1 吊臂裂紋示意圖

3 修復方法及改進措施

根據裂紋產生的原因并結合現有的結構特點，確定總體方案：首先將裂紋處理修復，然后在此基礎上改進結構上的不足。其焊接工序流程圖見圖2。

圖2 焊接工序流程圖

3.1 修復方法

3.1.1 查找裂紋并打止裂孔

仔細查找每條裂紋，一旦發現立即用紅色油漆將裂紋標出，并將裂紋附近50～100mm 范圍徹底清理干凈，然后打止裂孔，防止焊縫受熱后向前延伸。

3.1.2 母材處理

為提高焊縫質量，焊接前應對工件焊接部位進行除水、除油、除污處理，防止焊縫出現氣孔、裂紋、熔滴飛濺和低溫韌性下降等缺陷。

3.1.3 刨坡口和修形

刨坡口使用碳弧氣刨進行，并注意坡口角度控制在40°～50°。用砂輪機打磨坡口凹坑，并將電焊修補面修形，修形后要求坡口面平滑整齊。

3.1.4 焊接

（1）裂紋焊接。焊接前一般要對工件進行預熱，預熱溫度為60℃～100℃。采用分層分道焊接法對裂紋進行焊補，焊層分為打底層、填充層和蓋面層共3 層［3］。

打底層：母材如未刨透，打底層可薄一些，焊層厚度4～6mm；母材如刨透，打底層要厚一些，焊層厚度6～8mm；如底縫過寬，需加4～6mm的墊板，使焊材和母材熔合。

填充層：填充層每層厚度控制在4～6mm。第一層采用直流手工焊機，后面的填充層采用CO2氣體保護焊。

蓋面層：蓋面層厚度控制在2～3mm，蓋面層寬度應超過焊縫寬度，與母材有2～3mm的重熔區域。

（2）端頭焊接。端頭的焊接分兩步進行：第一步從側面焊縫離端頭70～80mm 處開始向端頭堆焊；第二步在端頭處焊接一條焊高約為10～15mm的焊縫，并且將側面兩條焊縫連接起來，形成對端頭的加固。

（3）止裂孔焊接。最后焊接止裂孔，止裂孔處要高于其它焊縫2～3mm，否則容易引起重復開裂。

（4）焊后處理。焊接完畢后，要用石棉布等保溫材料進行保溫，使焊縫緩慢冷卻。也可采用振動時效的方法對工件進行去應力處理。注意必須等焊縫緩慢冷卻至環境溫度后，才能使焊縫受力，否則容易導致焊縫開裂。

3.1.5 焊縫檢查及修形

每道焊縫焊完要進行自檢，看有無裂縫等缺陷，確認無缺陷后，方可進行下一步的工作。每條焊縫蓋頂后用砂輪機修整，達到圓滑過渡。

圖3 吊臂開裂處改進設計

3.2 改進措施

3.2.1 改進方案裂紋雖然修補完畢，但由于原結構形式的缺陷，裂紋可能會繼續產生，所以還需進行改進方案的設計。結合使用工況從裂紋產生的原因和發展方向這兩個方面對其進行改進（如圖3）：（1）在吊臂的臂頭處加兩道加強板Ⅰ，使之與側面的筋板焊接后形成一框架結構，對臂頭起到緊固作用，也從源頭阻截了開裂趨勢。（2）將下蓋板尖角處圓滑過渡，避免應力集中。具體為兩端直角處焊接加強板Ⅱ，焊接后形成一斜角的圓滑過渡。

3.2.2 焊接

加強板Ⅰ和加強板Ⅱ的坡口類型均為對稱型坡口，并且與吊臂主體的焊接形式均為單邊V 形焊縫，焊接步驟如前所述。

3.3 焊接注意事項

（1）隨著鋼材強度提高，其斷裂韌性和可焊性都有不同程度下降，選材時不宜選用比實際所需強度更高的材料，不應單純追求強度指標而忽視其它性能。

（2）構件截面、焊接接頭形式盡量使力線均勻分布，避免截面突變、尖角。

（3）兩個不同截面構件的對接接頭應盡量平緩過渡。（4）焊接操作時，要注意焊條兩側熔池都要融化。

4 結語

由于工程機械工作環境惡劣，并且承受較大載荷，所以吊臂時常出現開裂現象，通過以上措施進行的修復和改進，效果比較明顯，在實踐中也經受住了考驗，相信對國內同類產品的修復和改進具有一定的借鑒和參考價值。

［1］李智誠.世界常用鋼號手冊［M］.北京：中國物資出版社，1993.

［2］史美堂.金屬材料及熱處理［M］.上海：上?？茖W技術出版社，1981.

［3］陳祝年.焊接工程師手冊［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［4］李宏亮.TB880E 型巖石掘進機刀盤開裂原因分析及修復方法［J］.工程機械，2010，41（3）：62-67.