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消除旋挖钻机动臂焊接残余应力测试方案分析
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消除旋挖钻机动臂焊接残余应力测试方案分析


旋挖钻机动臂用于连接其上车和钻桅三角架,是旋挖钻机作业时的主要承载结构件之一,承受着较大的振动和冲击载荷。动臂焊接完成后的焊接残余应力,直接影响其承载能力和疲劳寿命。本文通过试验对比方法,探讨采用施工作业方法消除焊接应力的效果。

  1.消除焊接残余应力方法

  (1)热处理

  为消除结构件焊接后的残余应力,通常采用热处理方法。但动臂结构尺寸较大,对热处理设备要求较高,而大型热处理工艺设备多处偏远地区以降低城市污染,由此增加了产品成本。

  (2)振动时效处理

  理论和实践证明,对焊接结构件采用振动时效处理,即周期性的交变振动载荷,可使焊接残余应力出现明显的松弛,且有学者认为振动时效比热处理效果更好,而振动时效是否会降低结构件的疲劳寿命,需进一步研究。

  (3)旋挖钻机施工作业

  施工作业消除应力方法即通过动臂工作时自身的振动,消除焊接应力的方法。

  2.旋挖钻机测试方法

  本测试以未热处理和已热处理的2个动臂为研究对象,将这2个动臂在装机前、装机并工作500h后,对其工作前及工作500h后关键部位进行残余应力测试。依据测试结果,对比分析这2个动臂残余应力的变化情况,探讨通过动臂工作时自身的振动来消除残余应力的可行性,为施工安全性与工艺成本的不断改进提供基础的测试依据。

  (1)动臂试件

  这2个动臂结构件由钢板拼焊而成,其结构件如图1所示。动臂所用钢板材质为Q345B,其化学成分如附表所示,其屈服强度Rd≥345 MPa,抗拉强度470-630 MPa,动臂焊接时严格控制焊接工艺,关键焊缝采用多层多道焊接,以减小焊接变形。

  采用热处理动臂,其热处理的工艺如下:首先,以150℃/h的升温速率将动臂温度升至300℃;其次,以100℃/h的升温速率升温至630℃;然后,在630℃下保温2.5h,最后,炉冷至300℃后出炉空冷。

  动臂残余应力测试分为2轮,第1轮测试在2个动臂制成后工作前进行,第2轮测试是2个动臂在相同环境下工作500h后进行。

  (2)旋挖钻机测试原理及仪器

  本次测试的依据是国家标准《CB 3395-1992残余应力测试方法钻孔应变释放法》。通过在测点处钻出直径d为1.5mm、深度h为2mm的应变花孔,用以释放残余应力。利用应变花孔捕捉钻孔释放出的应变,并通过理论公式计算出残余应力相关参数。

  测试仪器为ASM3.0型应力、应变仪及ZDL-Ⅱ型盲孔法测试残余应力钻孔装置,本测试中盲孔法应变释放A系数为0.072,B系数为0.151。

  (3)旋挖钻机测试点布置原则

  动臂损坏的形式主要表现为焊缝处开裂,本试验旨在测试垂直于焊缝方向的残余应力,故测试点选择在焊缝边缘。并以融合线为零点,依次布置,包含焊缝融合线、热影响区、母材,依据以上原则布置测试点。

  设应变花孔半径为a,当距孔中心为5a时,应力值趋近于无应变花孔时的应力,即应力值随着距应变花孔距离的不断加大而消失。故横向空间两孔最小距离为2倍的5a,等于10a,以满足上述测试条件,这样相邻孔的影响引起的误差不超过2%~3%。

  (4)旋挖钻机测试部位

  测试区域包含动臂正面1~6号测试点,动臂反面7~13号测试点,动臂侧面14~24号测试点,共计24处测试点。测试点布置图如图2所示。

  3.旋挖钻机测试及对比结果

  我们按照测试方案,对这2个动臂试件进行测试,其结果如下所述。

  (1)旋挖钻机装机前对比

  在将这2个动臂安装到旋挖钻机之前,我们对其残余应力进行了测试,其结果如下:未热处理动臂工作前最大残余应力发生在14号位置,最大应力为581MPa(为1.68倍的R);热处理后动臂最大残余应力发生在18号位置,最大应力为150MPa(为0.43倍的R),未热处理动臂正面A区最大应力为234MPa(为0.68倍的R),动臂反面B区最高应力为332MPa(为0.96倍的R)。已热处理动臂正面、反面均为压应力,最高压应力只有-69MPa,侧面最高应力只有150MPa(为0.43倍的R)。焊后装机前,未热处理及已热处理动臂残余应力测试对比结果如图3所示。由测试结果可知,热处理去应力效果显著。

  (2)热处理与未热处理对比

  我们将这2个动臂装机,待其工作500h后。对其残余应力进行了检测,其结果如下:未热处理动臂最大残余拉应力为250Mpa(为0.72倍的R),最大残余压应力为-192MPa(压应力)。热处理动臂残余拉应力大幅减小,并向压应力发展,残余压应力小幅增大,最大残余拉应力为18MPa,最大残余压应力为-101MPa(压应力)。装机并工作500h后,这2个动臂残余应力测试结果对比如图4所示。由测试结果可知,未热处理动臂残余应力高于热处理动臂残余应力。

  (3)消除应力效果对比

  我们又对未热处理动臂作业前、后残余应力进行对比,未热处理动臂工作500h后,残余拉、压应力均减小,向零应力发展,最大降幅74%,个别测试点拉应力变成压应力,动臂正面A区均发展为压应力,最大压应力为-101MPa,动臂反面B区最高应力为234MPa(为0.68倍的R),降幅29%,动臂侧面C区最高应力240MPa(为0.70倍的R)降幅49%。未热处理动臂工作前后残余应力结果对比如图5所示。由测试结果可知,动臂作业过程自身受到的振动,使残余应力发生了明显松弛。

  4.旋挖钻机测试结果分析

  由第1项对比可知,热处理消除焊接残余应力效果显著,热处理仍然是消除焊接残余应力最佳的方法,施工作业方法消除残余应力尚达不到热处理消除焊接残余应力效果。

  由第2项对比可知,无论热处理还是未热处理的动臂作业后,其内应力都发生了变化,最大拉应力有所减小,且部分拉应力转变为压应力,说明施工作业可以使内应力减小。

  由第3项对比可知,未热处理动臂工作500h后,其残余应力发生了明显的松弛,79%测点残余应力均有所下降,作业时动臂自身受到的振动使残余应力消减,最大降幅为74%,直到工作800h未出现故障。如果通过进一步控制焊接工艺,以降低残余应力,采用施工作业方法消除残余应力也许可以保证动臂不发生开裂。

  另外,建议未热处理的动臂可小批量投放市场试用,跟踪观察2000h的故障信息及使用情况。

  我国在热处理基础理论和新热处理工艺研究方面与工业发达国家相差不大,但在热处理生产工艺和设备、产品质量、节能清洁、环境污染方面仍存在很大不足。减少乃至取消大型焊接结构件的热处理工序,能够降低成本,逐步实现绿色制造,提高生产率。


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