工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接坡口設(shè)置與焊縫斷裂原因分析

工程機(jī)械工作裝置結(jié)構(gòu)件在工程機(jī)械作業(yè)時(shí)，承受拉、壓、剪切、彎曲、扭轉(zhuǎn)、交變沖擊等多種形式的載荷。如果這些結(jié)構(gòu)件材質(zhì)和焊接存在缺陷或駕駛員操作不當(dāng)，很可能引起其焊縫斷裂。本文介紹結(jié)構(gòu)件焊接坡口型式及存在的問題，通過坡口焊接試驗(yàn)分析焊縫斷裂原因，并提出防止焊縫斷裂的措施。

1.焊縫斷裂種類及危害

結(jié)構(gòu)件焊縫斷裂主要分為2種，即疲勞斷裂和突然斷裂。由于結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度的差異和焊接質(zhì)量的不同，在使用中其也可能出現(xiàn)疲勞斷裂和突然斷裂的復(fù)合斷裂。結(jié)構(gòu)件復(fù)合斷裂一般出現(xiàn)在使用3000h左右，均是先出現(xiàn)疲勞裂紋，然后出現(xiàn)突然斷裂。若結(jié)構(gòu)件在沒有顯著塑性變形的狀況下突然斷裂，不僅會導(dǎo)致其失去作業(yè)能力，還會帶來安全隱患。

2.結(jié)構(gòu)件及焊接材料的選擇

工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件材料一般選用Q345B鋼，焊接材料一般選用JM58牌號焊絲，二者化學(xué)成分如表1所示。TM58牌號焊絲屬于國標(biāo)ER50-G規(guī)格焊絲，該種焊絲適合于單道和多道焊縫，在短路及射流的過渡段飛濺小，大電流焊接時(shí)電弧穩(wěn)定。

3.焊接坡口

（1）坡口型式及尺寸

結(jié)構(gòu)件焊接坡口型式是根據(jù)GB/T985.1-2008標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此結(jié)構(gòu)件最終采取的焊接坡口型式與該標(biāo)準(zhǔn)是有區(qū)別的。比較有代表性的單面對接坡口有2種，本文分別叫做平對接坡口和T形對接坡口，如圖1所不。

中型挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件板厚t一般為10-20mm，其平對接焊縫多采用無鈍邊陡邊坡口加墊板的結(jié)構(gòu)，其坡口面角度β為20°，坡口根部間隙b為3-8mm，如圖1a所示。此結(jié)構(gòu)如果采用水平焊接，其焊接工藝性較好。

結(jié)構(gòu)件T形對接坡口采用小鈍邊（鈍邊c≤3mm）、單邊v形坡口無墊板結(jié)構(gòu)，坡口的根部間隙b為零，如圖1b所示。

（2）不同坡口存在的問題

結(jié)構(gòu)件在焊接坡口方面存在的問題，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

采用有鈍邊無間隙坡口焊接時(shí)，母材會出現(xiàn)焊不透現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能達(dá)到最佳效果，焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不足。

采用無鈍邊無間隙坡口不適合機(jī)器人焊接，且焊接時(shí)母材會出現(xiàn)焊塌問題，焊塌部位易形成焊接缺陷。

采用有鈍邊有間隙坡口焊接時(shí)，工裝復(fù)雜、不易設(shè)計(jì)，不適合批量生產(chǎn)，不利于降低焊接成本。

4.坡口焊接試驗(yàn)

（1）平對接坡口

焊接平對接坡口試件時(shí)，若采用小電流進(jìn)行焊接，焊接后其焊接線（焊縫）熔深較小。此時(shí)對該試件進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，可發(fā)現(xiàn)焊接線處出現(xiàn)明顯的滑移裂紋。對于這種熔深小的焊接線，即使UT探傷結(jié)果很好，在受到交變載荷的情況下也會出現(xiàn)斷裂。圖2a所示為采用小電流焊接時(shí)試件的焊接效果。從中可以看出，焊接界限基本與坡口形狀相似，其向外擴(kuò)展很小，焊縫熔深很小。

焊接平對接坡口試件時(shí)，若采用大電流進(jìn)行焊接，焊接后其焊接線（焊縫）熔深較大。圖2b所示為采用大電流焊接試件的焊接效果。從中可以看到，打底焊和后面焊接的界限有明顯向外擴(kuò)展，焊縫有足夠的熔深。

平對接坡口試件采用不同熱輸入的焊接工藝參數(shù)如表2所示，平對接坡口彎曲試驗(yàn)合格試件的焊接參數(shù)如表2所示。

（2）T形對接坡口

制作2組試件，板厚、材質(zhì)、焊接材料都一樣，坡口都是單邊v形坡口，只是鈍邊不同。將此2組試件，由同1名電焊工焊接，焊接時(shí)采用同樣的焊接電流、電弧電壓和焊接速度（即熱輸入值相同），結(jié)果卻得到不同的焊縫截面，即鈍邊小的試件熔深較人，鈍邊大的試件熔深較小。

5.焊縫斷裂原因分析

（1）焊縫內(nèi)存在夾雜物

結(jié)構(gòu)件焊縫內(nèi)若存在夾雜物，當(dāng)交變應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)力矩大于焊縫疲勞極限時(shí)，焊縫會出現(xiàn)滑移帶，并首先在夾雜物與母體的交界處脫開，形成微裂紋，同時(shí)產(chǎn)生新的應(yīng)力集中。隨著交變應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，滑移帶變寬、開裂并形成裂紋。裂紋發(fā)展到一定程度，焊縫就會產(chǎn)生斷裂。焊縫斷裂處一般發(fā)生在交變應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)力矩最大的部位。

（2）結(jié)構(gòu)件扭轉(zhuǎn)翹曲作用

非圓截面結(jié)構(gòu)件發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，其表面上的橫向周線將變成曲線并發(fā)生翹曲。此時(shí)其截面周邊上各點(diǎn)處剪應(yīng)力的方向與周邊相切，最大剪應(yīng)力T發(fā)生在長邊中部（即長邊中部焊縫容易出現(xiàn)疲勞裂紋和斷裂），而截面4個(gè)頂點(diǎn)處的剪應(yīng)力均為零，如圖3所示。但是當(dāng)截面是空腹結(jié)構(gòu)時(shí)，在同樣材質(zhì)前提下，壁薄一側(cè)焊縫更容易產(chǎn)生疲勞裂紋和斷裂。

（3）焊接工藝存在問題

在箱形結(jié)構(gòu)件截面面積足夠大的條件下，若經(jīng)常發(fā)生焊縫斷裂現(xiàn)象，其主要原因是焊接質(zhì)量不良。結(jié)構(gòu)件焊接質(zhì)量主要表現(xiàn)在外觀質(zhì)量和強(qiáng)度質(zhì)量2個(gè)方面。外觀質(zhì)量通過嚴(yán)格要求容易控制，而強(qiáng)度質(zhì)量必須由合理的焊接工藝來保證。在焊接工藝方面，引起焊縫斷裂的原因有2點(diǎn)：一是坡口型式不合理，二是焊接參數(shù)不合理。二者都會造成焊縫熔深不夠。

6.防止焊縫斷裂的措施

綜上所述，在設(shè)計(jì)合理的條件下，結(jié)構(gòu)件焊縫斷裂主要是熔深不足引起的。為此應(yīng)采取以下措施解決焊縫斷裂問題：

一是在結(jié)構(gòu)件焊接時(shí)，熱輸入取值需要大一些，一般在0.93～1.70kJ/mm。

二是對于平對接坡口焊縫，應(yīng)采取無鈍邊加墊板焊接結(jié)構(gòu)，且根部間隙應(yīng)為3～8mm。

三是對于T形對接坡口焊縫，應(yīng)采取小鈍邊無間隙焊接結(jié)構(gòu)，鈍邊控制在3mm以下。

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