軸承知識(shí)
挖掘機(jī)斗桿軸座焊縫裂紋產(chǎn)生的原因及控制措施
2021-04-28單海洋 王國友
1.故障現(xiàn)象
隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展,挖掘機(jī)斗桿逐步由機(jī)器人焊接代替手工焊接。某型號(hào)挖掘機(jī)斗桿在使用焊接機(jī)器人焊接(MAG焊)后,在斗桿II軸軸座環(huán)狀焊縫出現(xiàn)裂紋,如圖1所示。
斗桿是挖掘機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件之一,在作業(yè)過程中承受交變載荷。本文分析斗桿II軸軸座環(huán)狀焊縫裂紋產(chǎn)生的原因,并提出控制措施。
2.原因分析
焊縫裂紋可分為熱裂紋和冷裂紋,其中熱裂紋又分為結(jié)晶裂紋、高溫液化裂紋和多邊化裂紋;冷裂紋又分為延遲裂紋、淬硬脆化裂紋和低塑性脆化裂紋。斗桿II軸軸座環(huán)狀焊縫裂紋的位置,處于軸座與斗桿板材接合部位,其中II軸軸座材質(zhì)為35號(hào)鍛鋼,板材材質(zhì)為Q345B鋼板。焊接機(jī)器人焊后立即出現(xiàn)裂紋,初步判定是熱裂紋中的一種。
結(jié)晶裂紋是在焊縫液態(tài)金屬結(jié)晶過程中,殘余液態(tài)金屬不能滿足焊縫凝固和收縮需求而產(chǎn)生的裂紋。結(jié)晶裂紋主要產(chǎn)生在含雜質(zhì)較多的碳鋼、低合金鋼和單相奧氏體鋼的焊縫中,一般位于焊縫中心且沿焊縫中心縱向開裂。斗桿II軸軸座環(huán)狀焊縫裂紋與結(jié)晶裂紋出現(xiàn)的位置及時(shí)間相符,由此可證明其為結(jié)晶裂紋。
分析認(rèn)為,產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的因素主要有以下2個(gè)方面:一是金屬材料中的金屬元素及雜質(zhì)增大脆性溫度區(qū),增大材料脆性敏感區(qū);二是焊接工藝中存在的缺陷增大了焊縫應(yīng)力、減小了液態(tài)金屬的流動(dòng)性和補(bǔ)充量。
3.母材化學(xué)元素的影響
由于焊縫中C、Mn、Si、S、P等化學(xué)元素對(duì)結(jié)晶裂紋影響較大,我們對(duì)II軸軸座和斗桿化學(xué)成分性能進(jìn)行了分析。II軸軸座和斗桿的化學(xué)元素含量如表1和表2所示。
當(dāng)焊縫中S、P含量過多時(shí),會(huì)引起成分偏析,產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶,增加結(jié)晶裂紋傾向。當(dāng)C含量過多時(shí),會(huì)造成結(jié)晶溫度區(qū)間增大,可導(dǎo)致脆性溫度區(qū)間增大。Mn具有脫硫作用,當(dāng)C含量小于0.16%時(shí),隨著錳硫比(Mn/S)的增大,結(jié)晶裂紋傾向減小;當(dāng)C含量大于0.16%時(shí),P對(duì)形成結(jié)晶裂紋的作用超過了S,增加Mn含量對(duì)結(jié)晶裂紋沒有明顯影響。Si含量較少時(shí),有利于防止結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生,但是當(dāng)Si含量大于0.42%時(shí),焊縫中會(huì)形成低熔點(diǎn)的硅酸鹽,從而增加結(jié)晶裂紋傾向。從表1和表2可知,這2種鋼材中的S、P元素含量在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),而Q345B材質(zhì)中Si含量偏多,有可能增加結(jié)晶裂紋傾向。
通過對(duì)比斗桿其他位置焊縫,同樣存在35號(hào)鋼鍛件與Q345B板材間的焊縫,但是并未出現(xiàn)焊縫裂紋,只有斗桿II軸軸座位置出現(xiàn)焊縫裂紋,由此可以推斷,該焊縫裂紋與II軸軸座和斗桿的化學(xué)元素含量關(guān)聯(lián)度不大。
4.控制措施
在分析斗桿II軸軸座環(huán)狀焊縫裂紋類型及其產(chǎn)生的原因和母材化學(xué)元素的影響后,我們制定并實(shí)施了該焊縫裂紋的控制措施,如下所述。
(1)調(diào)整焊接順序
斗桿II軸及其周邊每側(cè)共有5道焊縫,原焊接順序?yàn)楹缚p1→焊縫2→焊縫5→焊縫3→焊縫4,如圖2所示。
為降低焊縫冷卻速度,采用焊前預(yù)熱、焊后緩冷方法,但該方法對(duì)焊接機(jī)器人的焊接效率影響較大,造成焊接機(jī)器人利用率降低。很顯然,原焊接順序?qū)缚p2的預(yù)熱效果、改善液態(tài)金屬凝固過程中應(yīng)力狀態(tài)、增加液體金屬補(bǔ)充量均不利。
為使焊縫2取得良好的焊接效果,我們對(duì)斗桿II軸及其周邊焊縫焊接順序進(jìn)行了調(diào)整,調(diào)整后的焊接順序?yàn)?焊縫1→焊縫5→焊縫3→焊縫4→焊縫2。即先焊接焊縫2周圍的焊縫,通過熱傳導(dǎo)作用將熱量傳遞至焊縫2,相當(dāng)于預(yù)熱后再焊接焊縫2。為降低焊縫2周圍焊縫熱應(yīng)力的影響,在焊完焊縫4后,待焊縫2溫度場降低為150°C左右時(shí)再進(jìn)行焊接。
(2)調(diào)整焊接參數(shù)
液態(tài)金屬補(bǔ)充量主要受焊接速度和焊接機(jī)器人焊槍角度影響。降低焊接機(jī)器人的焊接速度,可提高焊縫焊接熱輸入量。為此,我們將焊接速度由5.5mm/s降低為5.0mm/s,焊縫熱輸入量提高10%左右。
影響焊縫成形系數(shù)B/H(單道焊縫橫截面上焊縫寬度B與焊縫計(jì)算厚度H的比值)的主要因素為焊接電流及電壓,查閱有關(guān)文獻(xiàn)得知,降低電流、增加電壓可增大成形系數(shù)。原焊縫焊接電流、電壓值分別為300A和28V,經(jīng)計(jì)算及現(xiàn)場焊接驗(yàn)證,決定選用焊接電流及電壓值為290A、31V,以此用于焊接機(jī)器人的焊接參數(shù)值。按照調(diào)整后的焊接電流、電壓值進(jìn)行焊接,焊縫熱輸入可提高7%左右。
調(diào)整焊接機(jī)器人焊槍角度。原焊接機(jī)器人的焊接方式為推式焊接,焊槍與焊縫成110°角,焊縫收弧存在弧坑,容易產(chǎn)生弧坑裂紋。為此,將焊槍與焊槍運(yùn)行方向角度調(diào)整為90°角,調(diào)整后焊縫收弧不存在弧坑,可避免出現(xiàn)弧坑裂紋。
實(shí)施上述控制措施后,解決了焊接機(jī)器人焊接斗桿II軸軸座產(chǎn)生焊縫裂紋問題,有效避免了焊接缺陷,提高了斗桿制造質(zhì)量。
本文選自:《工程機(jī)械與維修》雜志2017年第5期