挖掘机结构件的焊接残余应力浅析

郭红丽

（山西交通职业技术学院，山西 太原 030031）

挖掘机结构件的焊接残余应力浅析

郭红丽

（山西交通职业技术学院，山西 太原 030031）

文章简要介绍了挖掘机结构件生产中产生焊接残余应力的问题，探讨了焊接残余应力的产生机理、残余应力的消除及行业应用较为广泛的热处理和振动时效法，对于工程机械企业残余应力的消除有一定的借鉴作用。

挖掘机；结构件；残余应力；热处理；振动时效

工程机械是中国民族装备制造业的重要组成部分，在国民经济发展的过程中，特别是国家大型公路、桥梁、隧道及其他基础设施等的建设中发挥了举足轻重的作用。在工程机械产品中有一种机型叫挖掘机，这种机器已经成为了工程建设中最为重要的机种之一。19世纪50年代出现了液压挖掘机，使得土石方施工效率明显提高。目前，全球每年销售各种型号的液压挖掘机约20万台，完成全球约70%的土石方工程量，已经有一种取代装载机和推土机的发展趋势。

挖掘机是工程机械中技术含量最高的产品之一，挖掘机不仅要有良好的动力性，还要有极高的工作效率，其液压系统的压力比装载机高出许多。如，挖掘机的液压系统工作压力达32～40MPa，而装载机仅16～20MPa。另一方面，挖掘机工作装置等结构件在作业中占有相当重要的地位，国内厂家可以采用与合资企业相同的原材料，但生产出来的结构件特别是焊接结构件的质量相差较大。这里除了设计因素外，制造因素占有相当的比例。残余应力的调整是制造过程中非常重要的一个环节。

许多专家和学者在残余应力的研究方面做了大量的工作，但是关于工程机械方面的报道非常有限。汪建华等针对焊接残余应力形成机制和消除原理传统理论的质疑和不同观点，采用两端拘束杆件和长板条焊接的一维简化模型，分析比较了经受加热与冷却热循环以及直接从高温冷却下来时的应变历史和残余应力产生的机制。结果表明，两者对产生残余应力的作用完全是等价的。罗利伟等在分析残余应力产生原理的基础上，提出了消除焊接残余应力的方法：热处理、拉伸法、振动法及爆炸法，指出研究和测量构件中残余应力对生产和科学试验具有重要意义。张小鹏等对传统的盲孔法进行了改进，改进的盲孔法能够更准确地测得焊接残余应力值，测量结果经塑性修正，最大误差减小到2%以下。测试方法和结果可直接应用于工程实际。

关于残余应力的消除方面，已有的方法包括热处理、拉伸法、捶击法、爆炸法，振动时效法以及超声波方法等，但它们在工程实际中的应用效果不尽相同。论文就目前在挖掘机结构件生产过程中用到的方法进行分析整理，以期对工程实际提供参考。

一、焊接残余应力的产生机理

焊接电弧所产生的热量，通过热输入对被焊接区域进行不均匀的局部加热，是产生焊接残余应力的决定性因素。热输入通过材料因素、制造因素和结构因素所构成的内拘束度和外拘束度而影响热源周围的金属运动，形成焊接残余应力。不均匀的热输入是与所焊接的材料因素、制造工艺过程以及结构的刚度等因素所构成的内部拘束度和外部拘束度共同影响焊接区域的金属运动，最终形成焊接残余应力。材料因素决定热源周围金属运动的内拘束度，而制造因素和结构因素则更多地影响着热源周围金属运动的外拘束度。

挖掘机的结构件包括动臂、斗杆、铲斗、回转平台及行走架等，这些构件的加工过程涉及到下料、折弯、组装等工序，最终焊接而成，在焊缝附近不可避免地产生残余拉应力，给工程实际造成极大的危害。

二、残余应力的危害性

残余应力是材料及其制品在机加工或合金过程中产生的平衡于材料或制品内部的应力。在各种机械制造过程中，无法避免地会在结构内部造成很大的残余应力。加工后的残余应力将影响到腐蚀、开裂、疲劳强度等力学性能，同时也会对材料的物理机械性能产生巨大影响，对结构强度造成很大危害，历史上许多灾难性破坏事故大多是由结构中的残余应力引起。具体表现在如下几个方面：

1.对疲劳寿命的影响

残余应力对疲劳强度的影响是复杂的。当受到交变应力的构件存在压缩残余应力时，该构件的疲劳强度会有所提高；当存在拉伸残余应力时，疲劳强度则降低。因此在工程实际中往往通过表面硬化处理产生压缩残余应力，从而有效地提高疲劳强度。但是很多情况下，构件表面存在的是拉伸残余应力，这时首先应该研究如何调整应力分布来提高疲劳寿命，这与考虑残余应力对变形的影响是不相同的，后者考虑的是如何降低和消除残余应力以保证构件变形的稳定性。

实际上，交变应力作用下残余应力将会发生很大的变化，所以研究残余应力与疲劳强度之间的关系是比较困难的。

2.对构件变形的影响

残余应力是一个不稳定的应力状态。当构件受到外力作用时，使某些局部呈现塑性变形，截面内应力重新分配，当外力作用去除时整个构件发生变形。所以残余应力明显地影响着加工后的构件精度。这也是工程实际中最关心的问题之一。

研究表明，具有表面拉伸残余应力的构件其变形稳定性远远不如具有表面压缩残余应力的构件变形稳定性好。另一方面，荷载卸除后变形的恢复能力。残余应力在这两个方面对构件的影响是很大的，因此人们一直在研究消除这些影响的有效办法。

3.对金属脆性破坏的影响

脆性破坏是构件在几乎不存在塑性变形的情况下突然开裂。它在温度突然下降或变形速度突然增大的情况下，最容易发生。这时塑性变形处于抑制状态，如再突然受到较大的作用应力等原因，就易于发生脆性断裂破坏。残余应力是作为初始应力存在于构件内，特别是拉伸残余应力与作用拉应力的叠加加速了脆性破坏。

4.对应力腐蚀开裂的影响

金属与周围介质的接触而产生化学作用所引起的破坏称为腐蚀。如果在发生腐蚀的同时还有应力的作用，则会加速腐蚀破坏，这就是应力腐蚀开裂。它的特点是：第一，拉应力与腐蚀共存。第二，由于材料成分和组织不同、介质不同等，对应力腐蚀的敏感性也不同。有时在不发生腐蚀的介质中，有些金属在应力作用下也发生应力腐蚀现象。第三，在应力腐蚀开裂过程中，首先出现点蚀，再逐步扩展成裂纹，裂纹的扩展主要是沿着最大主应力垂直的方向进行，在微观上是沿着材料晶界或穿过晶粒进行。

三、焊接残余应力的消除

焊接残余应力的存在给工程实际带来了较多的不利，特别像挖掘机结构件的生产几乎全部由焊接而成。因此，调整或消除焊接残余应力提高焊接接头的疲劳强度，从而提高焊接结构件的使用寿命成为所有挖掘机生产企业的关键问题。目前在工程机械行业调整或消除焊接残余应力的方法主要有两种：热处理和振动法。

1.热处理

热处理法是将焊接构件整体或局部以一定的加热速度加剧到相变点以下适当温度并保温一定时间，然后以一定速度缓慢冷却的方法。这种方法不仅能消除焊接残余应力，而且还能够使大多数钢的焊接区材质得到改善。然而，一些研究结果表明，热处理能够提高焊接结构疲劳强度是有条件的。因为热处理一方面消除焊接残余应力，同时也导致接头表面氧化、脱碳及组织软化，这是对疲劳强度不利的因素。从目前报道来看，工程机械行业中只有极少数企业采用这种方法，如三一重工采用整体热处理消除臂架的焊接残余应力和变形。

2.振动时效法

振动时效法是一种人工时效方法，通过共振来调整残余应力。每个工件都有其固有频率,当外加周期性载荷在工件的固有频率下振动时,可以用最小的振动能量,使被振动体产生最大的振幅,从而得到最大的附加动应力。当振动的附加应力与残余应力叠加的代数和不能引起构件任何部位的塑性变形,这时振动时效已不再引起残余应力下降,此时,视为振动时效处理完毕。该方法在国外已经普遍采用，国内才刚刚起步。这种方法的优点在于设备投资少、简单轻巧、操作方便、易于现场施工等优势，但技术性较强。

早在2000年，广西玉柴工程机械公司生产的小型挖掘机的底盘、平台、动臂、斗杆等焊接结构件，均进行了振动时效处理。王日来等的研究表明，挖掘机平台在振动处理前，焊缝处残余应力集中现象较严重。在焊缝中心区域应力较高，最大剪切残余应力值约为54～67MPa，已经接近了许用安全剪切应力,为不安全的残余应力。在焊缝非中心区域应力较低，约为30～50MPa。经振动时效处理，焊缝处残余应力集中现象已消除，焊缝中心区域和非焊缝区域，应力值已相近，峰值残余应力已经从60MPa左右下降到25MPa左右，下降率约为60%，远小于许用安全剪切应力，平台处于安全的低应力平衡状态。

长时间以来，国内外均采用热处理的方法来消除残余应力。这种方法受工件尺寸的限制，而且能耗大，工艺周期长，不易控制，造成资金的积压，给企业带来较高的成本。特别对于挖掘机动臂、斗杆等尺寸较大的部件采用热处理的方法有很大的难度，振动时效法由于具有设备投资少、生产效率高、时效成本低等特点，正好可以解决热处理的弊端。随着一些企业已经投入使用，一些企业已经在酝酿之中，必将带到整个工程机械行业，特别是技术含量较高的挖掘机行业的推广和应用。

［1］汪建华，陆皓.焊接残余应力形成机制与消除原理若干问题的讨论［J］.焊接学报，2002，（3）：75－79.

［2］罗利伟，付小超.焊接残余应力的产生及其消除方法［J］.山西建筑，2008，（20）：134－135.

［3］张小鹏，王娜.基于大型炉体焊接残余应力测试的盲孔法研究［J］.力学与实践，2007，（3）：45－50.

［4］孙兰英，翟封祥.焊接板材毛坯冲压成形中残余应力的测试与分析［J］.河北科技大学学报，2000，（1）：69-72.

TH

A

1673-0046（2010）10-0174-02