混凝土泵车举升臂断裂原因分析

杨晓洁刘娜娜 郑春英 杨军

（山东省产品质量监督检验研究院）

混凝土泵车举升臂断裂原因分析

杨晓洁*刘娜娜 郑春英 杨军

（山东省产品质量监督检验研究院）

某混凝土泵车举升臂在使用过程中发生断裂。通过宏观观察、金相组织分析、显微硬度检测和能谱检测等方法对举升臂断裂原因进行了分析。结果表明：由于轴套与臂架的焊接部位在臂架一侧未开坡口，导致该处焊后存在间隙和严重的未焊透现象，成为裂纹源和应力集中点，大大降低了轴套与臂架的连接强度；同时由于焊接工艺参数选取不当，致使热影响区出现粗大的上贝氏体组织，大大增加了该处脆性，促使裂纹进一步扩展，最终导致举升臂在使用过程中断裂。

焊接 未焊透 上贝氏体 应力集中 混凝土泵车 裂纹

0 前言

混凝土泵车移动方便、机动灵活，在建筑行业得到广泛应用[1]。混凝土泵车的发展趋势是增加尺寸和减少重量，但混凝土泵车的结构存在易疲劳和稳定性差等问题[2]。为了解决上述问题，一些学者进行了研究[3-4]。在实际运行中，由于其结构复杂、操作难度大，经常会出现故障，造成混凝土泵车失效[5-8]。本文对某厂生产的混凝土臂架泵车举升臂发生断裂的原因进行分析。该混凝土泵车在第二节举升臂处发生断裂。举升臂材质为进口低合金强度钢，牌号为weldox 700。

1 理化检验

1.1 宏观观察

混凝土臂架泵车举升臂断裂发生在第二节举升臂尾部，靠近连接销轴处。为清楚观察断裂情况，将第二节举升臂尾部的连接销轴拆卸，并将断裂部位截取下来，如图1所示。由图1可知，销轴轴套与臂架通过焊缝连接在一起，开裂沿焊缝发生，两侧臂架完全断裂。其中一侧臂架发现补焊焊缝，断裂沿补焊焊缝发生，如图2所示。将样品断裂的两部分分别标记为A和B。

图1 断裂臂架宏观形貌

图2 沿补焊焊缝断裂

将样品的油污清洗干净后继续观察。断口（A部分）宏观形貌如图3所示。由图3可清晰观察到，轴套与臂架焊缝根部存在严重未焊透现象，二者之间靠较小的焊缝连接(焊缝宽度占板材厚度比例在后续金相检查试样中测量)。同时还发现，同一臂架同一侧的两平行板材的厚度不一样，一面厚度约为12 mm，另一面厚度约为7 mm。用线切割垂直于断口的焊缝（取样部位如图2所示），切去一部分试样后继续观察，发现轴套外缘与臂架间存在间隙，间隙宽度约为1 mm，如图4所示。此外，在B部位的轴套与臂架焊缝处发现一条宏观裂纹，长约6 cm，如图5所示。裂纹起始于断口，沿焊缝向周向扩展。

图3 未焊透

图4 间隙及未焊透

图5 沿焊缝扩展的裂纹

1.2 金相组织分析

从A部分焊缝开裂处的横、纵方向和B部分轴套横、纵方向分别截取金相试样，观察其金相组织。试样依次标记为1#试样、2#试样、3#试样和4#试样。试样经镶嵌、磨制、抛光后，用光学显微镜进行观察。在纵向试样中发现较多的氧化物夹杂，如图6所示。用4%硝酸酒精溶液侵蚀后观察，臂架母材显微组织为铁素体+珠光体，组织呈带状分布；轴套显微组织为珠光体+铁素体，如图7所示。热影响区粗晶区存在上贝氏体组织，如图8所示，上贝氏体较粗大。图9为制备的金相试样的宏观形貌，图9右上角为焊缝，其余为臂架母材。由图9可见，与臂架连接的焊缝约占臂架板厚的四分之一。

图6 氧化物夹杂

图7 显微组织

图8 上贝氏体组织

图9 金相试样宏观形貌

1.3 显微硬度测试

在开裂处附近截取显微硬度试样，测量结果如表1所示。

表1 试样显微硬度值

1.4 能谱检测

从臂架、轴套及焊缝取样进行能谱检测，结果如表2所示。能谱检测结果显示，焊缝两侧母材金属材质基本一致，焊缝具有良好的抗裂性和力学性能，且焊缝成分与母材成分基本一致，符合焊条选取原则。

表2 能谱检测结果（质量分数）（%）

对氧化物夹杂进行能谱检测，结果如表3所示。能谱检测结果显示，夹杂物主要为铬的氧化物和铁的氧化物。

表3 夹杂物能谱检测结果（质量分数）（%）

2 理化检验结果的分析与讨论

通过宏观观察可知，臂架与销轴轴套焊接时，在臂架一侧未开坡口，导致轴套与臂架之间存在间隙，且沿臂架厚度方向有约四分之三部分未焊透。未焊透的存在相当于一条人为的“裂纹”，将轴承座与臂架分开，这就大大减小了有效承载截面积，降低了结构的承载能力，并在此处形成了严重的应力集中。

结合金相分析和能谱检测结果可知，臂架及轴套中存在着大量的氧化物夹杂，主要是金属氧化物。夹杂物与母材物理性能相差较大，割断了金属基体的连续性，同时给裂纹的扩展埋下了隐患。

结合金相检验和显微硬度测试结果可知，轴承座与臂架的焊接热影响区粗晶区出现了粗大的上贝氏体组织。上贝氏体组织产生的原因：由于焊接时热输入少，起始冷却速度较大，使高温奥氏体来不及发生分解，从而过冷到中温，此时冷却速度变缓，于是过冷奥氏体产生中温转变，得到羽毛状上贝氏体组织[9]。上贝氏体组织强度和韧性都较差，脆性较大，在外力的作用下易开裂。

混凝土臂架泵车在运行时，臂架上下、左右移动，轴套与臂架的受力比较复杂。其中，第二节臂架在工作时承受扭转、剪切、冲击等静载和交变载荷。当载荷大于其焊缝和母材的连接强度时，轴套与臂架未焊透形成的裂纹和应力集中点成为了裂纹源，然后沿着存在氧化物夹杂的臂架、热影响区上贝氏体组织形成裂纹，裂纹在冲击、扭转、剪切的作用下渐渐扩展。裂纹造成了臂架两侧销轴处受力不均匀，销轴与轴承之间产生磨损。产生裂纹的臂架没有及时更换，而是仅进行了简单的补焊处理，导致该处存在焊接残余应力，进一步加速了裂纹的扩展。随着工作时间的延长，臂架的有效承载面积逐渐减小，承载能力也逐渐降低，裂纹顺着未焊透的焊缝沿环向继续扩展，最终导致举升臂断裂。

3 结论

臂架与销轴轴套焊接时焊缝根部存在间隙，成为人为的裂纹源和应力集中点。沿臂架厚度方向存在严重未焊透，减小了有效承载截面积，降低了结构承载能力。焊接热输入不当，使得热影响区粗晶区形成了脆性上贝氏体组织。在长期的工作中，混凝土臂架泵车的臂架产生了裂纹并沿着缺陷位置逐渐扩展，直至臂架断裂。

[1]王斌华,吕彭民.混凝土泵车臂架系统振动机理的研究[J].振动与冲击,2011,30(9):259-263.

[2]Cazzulani G,Ghielmetti C,Giberti H,et al.A test rig and numerical model for investigating truck mounted concrete pumps[J].Automation in Construction,2011,20: 1133-1142.

[3]Wang T,Wang G,Liu K.Simulation control of concrete pump truck boom based on PSO and adaptive robust PD [A].2009中国控制与决策会议论文集[C].2009: 960-963.

[4]Worthington T.Trailer pumps[J].Concrete Construction World Concrete,2007,52(3):62-67.

[5]李勋文.混凝土泵车臂架开裂的修复方法[J].桥梁机械与施工技术,2007(3):44-45.

[6]张一北.混凝土泵车的常见故障与维修[J].混凝土, 2007(5):102-105.

[7]林宏.混凝土泵车臂架销座的修理方法[J].工程机械, 2007,38(12):66-67.

[8]赵秀春.混凝土泵车常见故障探析[J].装备制造技术, 2009(9):92-93.

[9]李炯辉,林德成.金属材料金相图谱(上册)[M].北京:机械工业出版社,2006:1128.

A Study into the Fracture Reasons of a Lifting Boom of Concrete Pump Truck

Yang Xiaojie Liu Nana Zheng Chunying Yang Jun

The lifting boom of a concrete pump truck fractured during usage.Analyzed the fracture reasons by macroscopic investigation,metallographic structure analysis,micro-structure hardness testing and energy dispersive spectrometer(EDS)detection.The results showed that the crack source and stress concentration position due to the clearance and severe incomplete penetration arising from the absence of groove at the welding area of boom and sleeve were the major causes to greatly reduce the joint strength.In addition,the improper welding parameters leaded to the formation of bulky upper bainite structures in the heat affected zone,which increased the brittleness and promoted the propagation of cracks,eventually leading to the fracture of the lifting boom during usage.

Welding;Incomplete penetration;Upper bainite;Stress concentration;Concrete pump truck;Crack

TG 142.1

2014-08-28)

*杨晓洁，女，1982年生，硕士研究生，工程师。济南市，250100。