銑刨機(jī)立柱焊縫開(kāi)裂的分析與控制

李長(zhǎng)安，雷振華，王靜之 LI Chang-an， LEI Zhen-hua， WANG Jing-zhi

（陜西建設(shè)機(jī)械股份有限公司，陜西 西安 710032）

銑刨機(jī)四立柱鉸接于履帶臺(tái)車(chē)架中部，整機(jī)除履帶總成外的全部重量和各種沖擊載荷均由立柱結(jié)構(gòu)傳遞承受。我廠2012年前生產(chǎn)的部分銑刨機(jī)不定期出現(xiàn)行走前立柱下部焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象，我們通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察、分析取樣、討論改進(jìn)、實(shí)施跟蹤、工藝質(zhì)量嚴(yán)格控制等措施，使銑刨機(jī)立柱焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象徹底消除。

1 問(wèn)題概況

我公司生產(chǎn)的CM2000型銑刨機(jī)，銑刨寬度2 000mm，最大銑刨深度300mm，是最常見(jiàn)的四履帶（四立柱）行走驅(qū)動(dòng)銑刨機(jī)，如圖1所示。其旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)水平軸平行地面布置，銑刨輪座倉(cāng)被固定在主機(jī)架下方，由裝于主機(jī)架上的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)皮帶和主減速機(jī)減速增扭提供銑刨切削動(dòng)力。四立柱連接履帶和機(jī)架，承受大部分靜載和動(dòng)載，開(kāi)裂部位在左側(cè)前立柱，如圖2所示，工況為前履帶轉(zhuǎn)向爬升銑刨路肩位置。

圖1 CM2000型銑刨機(jī)側(cè)示意圖

圖2 立柱焊縫斷開(kāi)示圖

現(xiàn)場(chǎng)觀察可見(jiàn)，立柱與法蘭支座連接處結(jié)構(gòu)完好，裂縫與斷口均在焊縫及熔合線區(qū)域，且部分有明顯銹蝕痕跡，結(jié)構(gòu)功能完全失效。從斷口有部分位于熔合線且有銹蝕現(xiàn)象來(lái)看，明顯存在未熔合現(xiàn)象。公司組織技術(shù)、質(zhì)量、生產(chǎn)等專(zhuān)業(yè)人員對(duì)更換回廠的立柱拆檢、分析取樣、討論產(chǎn)生原因、制定改進(jìn)措施。

2 立柱結(jié)構(gòu)和工藝分析

立柱結(jié)構(gòu)功能獨(dú)特，焊縫受力復(fù)雜，受環(huán)境溫度、焊前預(yù)熱、焊后保溫等因素影響很大，是銑刨機(jī)重要部件關(guān)鍵要素。

2.1 立柱設(shè)計(jì)要求

銑刨機(jī)工作重量約34t，四立柱靜載荷約24t，正常工作的行走牽引力、履帶轉(zhuǎn)向扭矩、銑刨切削力、上車(chē)自重、行走制動(dòng)沖擊以及上下板車(chē)和行走不平路面的沖擊彎扭等動(dòng)靜載荷都必須經(jīng)過(guò)四立柱傳遞承受。銑刨機(jī)立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 立柱設(shè)計(jì)示意圖

立柱設(shè)計(jì)選材45#鋼，調(diào)質(zhì)處理立柱壁厚33mm，座板厚度40mm，座板材料16Mn；同時(shí)為傳遞轉(zhuǎn)向扭矩在每個(gè)立柱表面對(duì)稱開(kāi)有40mm寬和15mm深的矩形鍵槽；為防止立柱表面銹蝕設(shè)計(jì)要求鍍鉻處理。所以立柱焊縫（角焊縫，高度15mm）受交變應(yīng)力影響很大，成為重點(diǎn)控制因素。

2.2 工藝保障措施

為確保立柱鍵槽側(cè)邊具有一定的接觸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度并發(fā)揮45#鋼材特性，確定焊接工藝為：厚壁管材調(diào)質(zhì)處理280～320HB，加工雙面矩形鍵槽等尺寸到位，表面鍍鉻后與支座焊接。為確保立柱中心與履帶銷(xiāo)軸中心和開(kāi)檔有足夠的尺寸和位置精度，所以2—?70+0.030銷(xiāo)孔采用焊后加工。焊前需預(yù)熱，焊后要保溫緩冷。

3 焊縫開(kāi)裂的原因分析

3.1 設(shè)計(jì)工藝制作的影響

立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為傳統(tǒng)常見(jiàn)形式，焊縫設(shè)計(jì)為常規(guī)角焊縫，焊高15mm，周?chē)鸁o(wú)異物，重量也不大，按工藝要求操作應(yīng)該可以保證焊接質(zhì)量。樣機(jī)和小批量生產(chǎn)未發(fā)現(xiàn)焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象。立柱正常工作時(shí)始終處在彎扭組合的外力沖擊之下，前立柱靜載荷約55%～60%，比后立柱受力要大，與實(shí)際損壞位置相符。一般情況下角焊縫能承受的拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于壓應(yīng)力，壓拉比可達(dá)1.7倍以上。因此在特定的焊接結(jié)構(gòu)形式中，如果存在較大間隙或未焊透等缺陷時(shí)，在交變載荷的作用下，容易形成宏觀裂紋；如果未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，裂紋會(huì)在失穩(wěn)狀態(tài)下快速擴(kuò)展并延伸，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂。

3.2 45#鋼及較大板厚焊接影響

立柱材料含碳量較高中空且厚，座板厚且面積較大，焊接時(shí)熱量分布不均，立柱散熱快，座板冷卻慢。焊接的不均勻加熱與冷卻在立柱和座板之間形成較大的拉應(yīng)力。由于壁厚的原因，如果焊接區(qū)域未提前預(yù)熱或預(yù)熱不足或環(huán)境溫度降低等情況，最初焊接區(qū)域的熔化金屬冷卻速度會(huì)很快，熔深淺，易產(chǎn)生焊縫根部未焊透等缺陷，而且焊縫熱影響區(qū)淬硬傾向明顯，易產(chǎn)生粗大馬氏體組織，焊縫抗沖擊力能力大大降低，脆斷的臨界溫度上升，在環(huán)境溫度較低時(shí)，工件冷卻速度更快，更易產(chǎn)生裂紋，且裂紋擴(kuò)展所需能量也較低，因此冬季或天冷時(shí)期施工更容易出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象。

3.3 焊接區(qū)域擴(kuò)散氫的影響

立柱表面的油污及鐵銹中的水分在焊接高溫下產(chǎn)生氫并進(jìn)入熔池，冷卻時(shí)未能及時(shí)逸出而滯留在焊縫中，當(dāng)焊縫中的擴(kuò)散氫含量較高時(shí)，會(huì)成為引起延遲裂紋的重要因素。但是工廠生產(chǎn)采用的是二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊（該過(guò)程具有氧化性，可減小焊縫氫含量），或者采用低氫焊條（焊條電弧焊時(shí)），只要對(duì)焊縫及其附近區(qū)域按要求做了清理，且焊絲或焊條在保存及使用過(guò)程中未污染，均可確保焊縫中的擴(kuò)散氫含量很低（一般小于0.04mL/100g，低氫焊條手弧焊為4.2mL/100g），因此認(rèn)為氫擴(kuò)散導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂的可能性極小。

3.4 金屬鉻的影響

立柱設(shè)計(jì)表面鍍鉻處理后焊接，有金屬鉻鍍層、防鍍材料等影響。金屬鉻鍍層在焊接高溫下熔化進(jìn)入熔池，會(huì)提高焊縫的合金元素含量，致使碳當(dāng)量升高，使焊縫的馬氏體含量升高，從而更易產(chǎn)生裂紋，因此需采取措施防止金屬鉻進(jìn)入焊縫。

4 改進(jìn)與提升

立柱與履帶支座的焊接是構(gòu)成立柱總成部件的關(guān)鍵要素，是確保銑刨機(jī)安全使用的重要環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步提升該部件的使用可靠性，從設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)綜合優(yōu)化控制。

1）在確保足夠的剛度、強(qiáng)度和鍵槽接觸抗壓強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，在立柱端頭與支座連接處設(shè)計(jì)過(guò)渡配合?180H9×10止口臺(tái)階（緊配合更好），承受一定的垂直和水平受力以及彎矩，降低焊縫徑向和橫向受力。在焊接端頭預(yù)留40～50mm的免鍍鉻區(qū)域以減少鍍鉻焊接的影響。

2）嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝。焊前預(yù)熱150～200℃，且時(shí)間不少于20min；焊后保溫300～350℃，且時(shí)間不少于120min，緩冷。對(duì)于厚度在30～50mm的中碳鋼焊接，預(yù)熱是防止焊接裂紋常用的有效方法。通過(guò)預(yù)熱，既可使熔合區(qū)達(dá)到足夠溫度保證充分融合，也可降低焊縫的冷卻速度，盡可能降低焊縫的淬火應(yīng)力和減少焊縫中的馬氏體組織。同時(shí)在焊接時(shí)采用多層多道焊，既可減小單道焊縫焊接線能量，減小熱影響區(qū)組織粗化程度，也可充分利用后道焊縫對(duì)前道焊縫的熱處理作用，使得焊縫性能得到大大改善。

3）嘗試在立柱端頭增開(kāi)焊接坡口5mm×45°，實(shí)踐證明單純?cè)黾雍缚p高度既不經(jīng)濟(jì)也不科學(xué)，適當(dāng)?shù)暮附悠驴诩饶鼙ＷC根部的焊透性，又可以減緩焊縫相變時(shí)的瞬間冷卻速度，焊趾處應(yīng)力集中明顯下降。根據(jù)國(guó)際焊接協(xié)會(huì)試驗(yàn)研究結(jié)果：帶坡口的角焊縫比具有相等計(jì)算厚度的一般角焊縫強(qiáng)度可提高20%～50%。可適當(dāng)降低焊縫高度到10～12mm。這樣既保證了角焊縫的強(qiáng)度，又節(jié)省了焊接材料。

4）根據(jù)銑刨機(jī)立柱部件重要性分級(jí)要求焊后增加100%焊縫表面磁粉探傷檢驗(yàn)項(xiàng)目，質(zhì)檢部門(mén)嚴(yán)格執(zhí)行。

5 結(jié) 論

銑刨機(jī)立柱焊接屬于較大板厚的異種鋼焊接，結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力較大，焊接性較差，焊接時(shí)必須采取預(yù)熱及保溫緩冷等措施，這樣既可保證焊縫充分熔合，還能減少焊接殘余應(yīng)力和馬氏體組織從而降低冷裂紋?，F(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)不可以存僥幸心理，必須嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，焊縫尺寸、焊接規(guī)范參數(shù)等都必須按技術(shù)文件規(guī)定執(zhí)行，以便保證焊縫質(zhì)量。

立柱焊接部位必須留足免鍍鉻區(qū)域，消除鍍鉻焊接影響。在立柱端頭增開(kāi)合適的坡口是保證焊接件熔透性，減少焊縫的應(yīng)力集中開(kāi)裂，提高焊接強(qiáng)度的有效措施。焊接前按要求清理焊材表面及母材焊接區(qū)域和附近的鐵銹油污、焊接材料存放期間防止吸潮污染是保證焊接質(zhì)量的必要措施。

通過(guò)改進(jìn)提升，從2012年開(kāi)始至今，我廠銑刨機(jī)立柱焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠，再未出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象。