挖掘机结构件的焊接残余应力浅析

李阳

摘 要： 焊接结构发生的变形及裂纹最主要得原因是焊接残余应力，对结构件造成的影响是不可忽视的。本文简要介绍了挖掘机结构件生产过程中的焊接残余应力问题，论述了焊接残余应力的产生机理、焊接残余应力的危害以及工业上广泛采用的热处理、振动时效和超声波冲击三种消除焊接残余应力的方法，对工程机械企业消除残余应力具有一定的参考价值。

关键词： 超声波冲击;振动时效;热处理;焊接残余应力;挖掘机

【中图分类号】TG441.7     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.32.280

作为当前我国制造装备业不可或缺的重要组成之一的工程机械，在国民经济发展过程中，特别是在国家大型公路、桥梁、隧道等基础设施建设中都功不可没。现在的工程机械，挖掘机械已经成为工程施工中最为重要的机械类型之一。1850年代，液压挖掘机得及时产生，有效提升了土方施工的相关效率。现如今，全世界范围内，各种种类的液压挖掘机每年能售出约二十万台，并大约完成了全世界土方量的百分之七十，大有取代装载机和推土机的趋势。

1 焊接残余应力的产生机理

焊接热输入通过由材料因素、制造工艺和结构刚度等组成的内外约束作用于金属在焊接区域的运动，产生焊接残余应力。材料因素是金属绕热源运动的内部约束，制造因素和结构因素是外部约束[1]。焊接过程中，焊缝高温区材料的热膨胀受到周围低温区材料的限制和挤压，导致高温区材料发生塑性变形;当焊件冷却时，在高温区发生塑性变形的材料，由于周围材料的拉伸而不能自由收缩，因此在高温区会产生温度应力。于此同时，焊缝高温区材料又会在高温条件下发生二次相变，引起材料组织变化，进而产生体积变化，因此在高温区材料内部又会产生相变应力。这种温度应力和相变应力统称为焊接残余应力。

挖掘机中的主要结构件有五种，分别是：履带梁、回转支撑架、回转底盘、铲斗、斗杆、动臂等[2]。这些结构件的制造过程包括机加工、焊接、弯曲、切割、焊接等工序，这样产生的参与拉应力是不可避免的，这将大大降低挖掘机的使用寿命。

2 焊接残余应力的危害性

焊接残余应力在焊接后的结构中是平衡的，但它会对结构的疲劳强度、刚度、强度、等力学性能产生很大的影响，对材料的物理力学性能也会产生很大的影响，这将对结构件的使用性能带来极大的危害。主要表现在以下几个方面：

2.1 对疲劳强度的影响

但在许多情况下，结构件表面的残余应力为残余拉应力，此时就有必要研究如何通过调整残余应力的分布来提高结构件的疲劳寿命。而这又和考虑残余应力对结构件变形的影响不同，后者考虑的是如何减小或者彻底消除残余应力，以减小结构件的变形，提高结构件的稳定性[3]。实际上，由于有交变载荷的作用，研究残余应力与疲劳强度的关系是非常困难的。

2.2 对结构件加工精度的影响

残余应力在结构件内部是平衡的，但却是不稳定的。在机加工过程中，当部分材料被切削去除后，切削平面内的材料发生塑性变形，导致残余应力原来的平衡状态被打破，残余應力将重新分布，从而使结构件产生新的变形，进而导致加工精度降低。这也是实际生产过程中最为关注的问题之一。研究表明，具有表面残余拉应力的结构件的变形稳定性远远低于具有表面压应力的结构件。

2.3 对金属脆性断裂的影响

脆性断裂是指结构件在几乎没有塑性变形的情况下突然开裂，最有可能发生在温度突然下降或变形速度突然增加时，此时塑性变形处于约束状态。当塑性变形突然受到较大的作用应力时，容易发生脆性断裂[4]。残余应力作为初始应力存在于结构件材料内部，特别是残余拉应力，当其与外加拉应力叠加时，就会加速结构件的脆性断裂。

2.4 对应力腐蚀开裂的影响

应力腐蚀开裂其特点是：一是残余应力与腐蚀并存。二是由于材料成分、显微组织和介质的不同，材料对应力腐蚀的敏感性也不同。有时在无腐蚀介质中，一些材料在残余应力的作用下也会发生应力腐蚀。第三，在应力腐蚀开裂过程中，首先发生点蚀，然后逐渐扩展为裂纹。裂纹扩展主要沿垂直于最大主应力方向，主要沿晶界或穿过晶粒扩展。

3 焊接残余应力的消除

焊接残余应力的存在给工程实践带来了许多不利因素，特别是挖掘机械结构件的生产，其关键结构件几乎都是焊接而成[5]。因此，如何通过消除焊接残余应力或者调整焊接残余应力的分布，来提高焊接结构件的疲劳性能和可靠性，是各挖掘机制造企业都在研究的主要课题。

热处理法是指以一定的升温速度将焊接结构件的全部或部分加热到相变点以下的某一适当温度并保持一定时间，然后以一定的降温速度缓慢冷却至室温的方法。这种方法使焊接结构件在内部金属组织不发生转变、不降低力学性能作为前提条件下，残余应力区的金属材料会产生一定的塑性变形，能够很大程度上减少焊接在结构件内部的残余应力，如此就可以增加焊接结构件的疲劳强度[6]。

4 结语

对挖掘机械的结构件来说，焊接残余应力无法规避的方面，因为焊接结构件几乎全部存在，这个无法避免的危害造成了很多问题，包括它会减少降低结构件的疲劳寿命，降低结构件的加工精度和尺寸稳定性，提高结构件的脆性断裂敏感性，加速结构件的应力腐蚀开裂。在实际生产过程中，常常采用热处理、振动时效和超声波冲击等方法，来消除焊接残余应力或重新调整焊接残余应力的分布，来提高焊接结构件的疲劳性能和可靠性。

参考文献

[1] 尚坤.谈挖掘机结构特点与维护保养技术[J].农机使用与维修，2019（10）：66.

[2] 邹智红.反铲液压挖掘机挖掘性能综合评价体系构建及其应用研究[D].重庆大学，2019.

[3] 曹露露.挖掘机工作装置疲劳寿命预测及极小子样下可靠性评估方法研究[D].长安大学，2019.

[4] 王茄任，李文新，刘建，毕金敏.电控型挖掘机行走异常故障分析与排查[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2019（04）：195-196.

[5] 韩伟平，白晶，张磊，秦勇.挖掘机履带行走装置脱轨故障分析[J].工程机械，2019，50（01）：55-59+8.

[6] 高二庆，李蒙，翁正干，王倩.挖掘机薄板结构件焊接变形分析及控制方法[J].现代制造技术与装备，2018（12）：171-172+178.