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配件加工焊缝断裂原因分析
浏览: 发布日期:2018-01-19

工程机械工作装置结构件在工程机械作业时,承受拉、压、剪切、弯曲、扭转、交变冲击等多种形式的载荷。如果这些结构件材质和焊接存在缺陷或驾驶员操作不当,很可能引起其焊缝断裂。本文介绍结构件焊接坡口型式及存在的问题,通过坡口焊接试验分析焊缝断裂原因,并提出防止焊缝断裂的措施。

1. 焊缝断裂种类及危害

结构件焊缝断裂主要分为2种,即疲劳断裂和突然断裂。由于结构件强度的差异和焊接质量的不同,在使用中其也可能出现疲劳断裂和突然断裂的复合断裂。结构件复合断裂一般出现在使用3000h左右,均是先出现疲劳裂纹,然后出现突然断裂。若结构件在没有显著塑性变形的状况下突然断裂,不仅会导致其失去作业能力,还会带来安全隐患。

2. 结构件及焊接材料的选择

工程机械结构件材料一般选用Q345B钢,焊接材料一般选用JM58牌号焊丝,二者化学成分如表1所示。JM58牌号焊丝属于国标ER50-G规格焊丝,该种焊丝适合于单道和多道焊缝,在短路及射流的过渡段飞溅小,大电流焊接时电弧稳定。


 

3. 焊接坡口

(1)坡口型式及尺寸

结构件焊接坡口型式是根据GB/T985.1-2008标准,并结合实际需要进行设计的,因此结构件最终采取的焊接坡口型式与该标准是有区别的。比较有代表性的单面对接坡口有2种,本文分别叫做平对接坡口和T形对接坡口,如图1所示。

 

中型挖掘机结构件板厚t一般为10~20mm,其平对接焊缝多采用无钝边陡边坡口加垫板的结构,其坡口面角度β为20°,坡口根部间隙b为3~8mm,如图1a所示。此结构如果采用水平焊接,其焊接工艺性较好。

 

结构件T形对接坡口采用小钝边(钝边c≤3mm)、单边V形坡口无垫板结构,坡口的根部间隙b为零,如图1b所示。

(2)不同坡口存在的问题

结构件在焊接坡口方面存在的问题,主要表现在以下3个方面:

采用有钝边无间隙坡口焊接时,母材会出现焊不透现象,结构强度不能达到最佳效果,焊接结构的稳定性不足。

采用无钝边无间隙坡口不适合机器人焊接,且焊接时母材会出现焊塌问题,焊塌部位易形成焊接缺陷。

采用有钝边有间隙坡口焊接时,工装复杂、不易设计,不适合批量生产,不利于降低焊接成本。

4. 坡口焊接试验

(1)平对接坡口

焊接平对接坡口试件时,若采用小电流进行焊接,焊接后其焊接线(焊缝)熔深较小。此时对该试件进行弯曲试验,可发现焊接线处出现明显的滑移裂纹。对于这种熔深小的焊接线,即使UT探伤结果很好,在受到交变载荷的情况下也会出现断裂。图2a所示为采用小电流焊接时试件的焊接效果。从中可以看出,焊接界限基本与坡口形状相似,其向外扩展很小,焊缝熔深很小。

焊接平对接坡口试件时,若采用大电流进行焊接,焊接后其焊接线(焊缝)熔深较大。图2b所示为采用大电流焊接试件的焊接效果。从中可以看到,打底焊和后面焊接的界限有明显向外扩展,焊缝有足够的熔深。

平对接坡口试件采用不同热输入的焊接工艺参数如表2所示,平对接坡口弯曲试验合格试件的焊接参数如表3所示。

(2)T形对接坡口

制作2组试件,板厚、材质、焊接材料都一样,坡口都是单边V形坡口,只是钝边不同。将此2组试件,由同1名电焊工焊接,焊接时采用同样的焊接电流、电弧电压和焊接速度(即热输入值相同),结果却得到不同的焊缝截面,即钝边小的试件熔深较大,钝边大的试件熔深较小。

5. 焊缝断裂原因分析

(1)焊缝内存在夹杂物

结构件焊缝内若存在夹杂物,当交变应力和扭转力矩大于焊缝疲劳极限时,焊缝会出现滑移带,并首先在夹杂物与母体的交界处脱开,形成微裂纹,同时产生新的应力集中。随着交变应力和扭转次数的增加,滑移带变宽、开裂并形成裂纹。裂纹发展到一定程度,焊缝就会产生断裂。焊缝断裂处一般发生在交变应力和扭转力矩最大的部位。

(2)结构件扭转翘曲作用

非圆截面结构件发生扭转时,其表面上的横向周线将变成曲线并发生翘曲。此时其截面周边上各点处剪应力的方向与周边相切,最大剪应力τ ma x发生在长边中部(即长边中部焊缝容易出现疲劳裂纹和断裂),而截面4个顶点处的剪应力均为零,如图3所示。但是当截面是空腹结构时,在同样材质前提下,壁薄一侧焊缝更容易产生疲劳裂纹和断裂。

 

(3)焊接工艺存在问题

在箱形结构件截面面积足够大的条件下,若经常发生焊缝断裂现象,其主要原因是焊接质量不良。结构件焊接质量主要表现在外观质量和强度质量2个方面。外观质量通过严格要求容易控制,而强度质量必须由合理的焊接工艺来保证。在焊接工艺方面,引起焊缝断裂的原因有2点:一是坡口型式不合理,二是焊接参数不合理。二者都会造成焊缝熔深不够。

6. 防止焊缝断裂的措施

综上所述,在设计合理的条件下,结构件焊缝断裂主要是熔深不足引起的。为此应采取以下措施解决焊缝断裂问题:

一是在结构件焊接时,热输入取值需要大一些,一般在0.93~1.70kJ /mm。

二是对于平对接坡口焊缝,应采取无钝边加垫板焊接结构,且根部间隙应为3~8mm。

三是对于T形对接坡口焊缝,应采取小钝边无间隙焊接结构,钝边控制在3mm以下。

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