挖掘机动臂焊接应力消除方法

以往焊接应力消除方法大多采用热处理，但这种方法耗能大、成本高，且大型或者复杂形状结构还需专门的热处理炉。现在需要对挖掘机动臂进行焊接应力消除，其长6.45m，宽1.6m，重2.37t，如果采用热处理消除残余应力是相当困难的。所以需要寻找其他替代方法。振动时效工艺具有投资少、节约能源、效率高等优点，特别适用于大型构件。

本次实验先对小试板进行振动时效的基础上，以大型的焊接构件作为试验对象，采用快速、无损的磁测法测定残余应力分布。

动臂是挖掘机工作装置中的关键结构，由于要承受较大的工作载荷，因此在内部加了许多筋板，以增大刚性，整个动臂经过多次拼接、焊接而成。主要焊缝有上下盖板和侧板间的焊缝1，侧板和中梁圆套筒之间的圆形焊缝2。焊缝1采用co₂气体保护焊，焊丝是H08MnSiA，Φ1.6mm，电流260-300A，焊速6.6mm/s。焊缝2采用手工电弧焊，焊前预热100-150℃，焊条是结506,Φ4mm，焊接电流是160-190A。动臂所使用的材料是16Mn钢。

通过对动臂进行强度分析，确定在使用过程中，中梁附近是危险的截面段。所以，选择该截面段内的两个截面进行残余应力检测，了解其残余应力分布状况。采用磁测法测残余应力，所使用的设备是聚航科技生产的JH-60三维应力磁测系统。

小试板振动消除应力

在对动臂消除应力前，先对小试板进行振动时效，观其在平台振动的情况下，残余应力的变化情况，另外，改变振动时间，观其效果。

试板是由两块16Mn钢板对接而成，采用埋弧自动焊，焊接规范如下：开坡口的一面先焊，电流550A，焊速6.9mm/s;未开坡口面焊接电流为580A，焊速6.8mm/s。

为了验证振动时效效果，要分别检测振前、振后残余应力数值。

将小试板固定在平台上，在合适的共振频率下振动15min、35min、50min。根据峰值处的下降率可以证明，振动时效可以消除残余应力。比较不同振动时间后的效果，残余应力分布是相似的，振动时间35min效果*好。

动臂焊接应力消除

振动消除残余应力的效果是与许多因素有关的，如振动频率、时间、动应力值，结构支撑方式、激振器位置。动臂是一个大型结构，刚性大、重量也大，若将其平躺在地上，无法达到*大限度地降低残余应力的目的。另外，从动臂工作中实际受力状态考虑，可采用以下支撑方式。

E、F分别是正对激振器下和中梁孔下盖板中部的点，在E、F点贴应变片，以监测动应力值及振动频率。

启动电机，并在合适的共振频率（65HZ）上振动30min，E和F的动应力值分别为12.9N/mm²和9.3N/mm²。振动过程中，观察电机参数变化，发现激振器电枢电流有明显的下降，说明残余应力降低了。

振完后再测定其残余应力，分析对比振前、振后残余应力数值，可以看出峰值处的残余应力下降了。

动臂中残余应力的分布及成因

对动臂Ⅰ测区的点，纵横向残余应力都是拉应力，纵向残余应力在焊缝附近较大，甚至超过了屈服极限，横向残余应力较小。造成这样残余应力分布的原因是由于焊缝1和焊缝2相距较近，共同收缩，导致两焊缝之间纵横向残余应力都成为拉应力。对于Ⅱ测区的点，纵向残余应力在焊缝处也达到屈服。从焊缝1向里，由拉变压，又变成拉，而横向残余应力数值变化不大，这与一般较宽的板在两边堆焊时，残余应力分布情况相似。

振动规范的选择及振动结果

振动频率：残余应力对共振振动很敏感，因为此时能量大，振动时间短，国内外推荐100Hz以下的共振点。

振动时间：应分成两种情况来考虑。若动应力较小，许多试验都证明以30min为*佳。若动应力较大，振动时间不宜过长，振动循环的有限几周内残余应力便下降到一定水平，以后再循环，清除残余应力的效果就不明显。

振动动应力：振动过程中，动应力的选择很重要。从能量输入的观点看，它与输入的能量有关。从力学角度看，动应力越大，与残余应力相迭加，塑性变大，消除应力效果好。但过大的动应力，且振动时间较长时，会对结构造成疲劳损伤，基于这个原因和厂家出于安全可靠的要求，在本文中，对承受动载的挖掘机动臂振动时，选用了小于20N/mm²的动应力。

从残余应力分布图可以看到，振动确实可以消除部分残余应力，峰值处的残余应力有所下降，个别点的残余应力有所上升，这是由于应力重新分布造成的。

结论

1. 用磁测法测出了动臂中的残余应力分布，振动时效前应力水平是较高的，处理后明显降低和均化。

2. 对给定的对接试板进行振动，峰值残余应力有所降低，*佳时间为35min。对动臂进行振动，峰值应力也有所下降，个别点的残余应力有所上升，但幅度很小。

3. 对结构进行振动时，动应力不宜过大。当动应力较大时，振动时间不能太长，否则会对结构造成疲劳损伤。

4. 振动对稳定结构尺寸是不容怀疑的，可以应用到工程中。