動(dòng)臂是工程機(jī)械上工作裝置部分重要的結(jié)構(gòu)件,該零件的可靠性直接影響整臺(tái)機(jī)械的壽命和質(zhì)量,也是衡量工程機(jī)械制造企業(yè)設(shè)計(jì)與制造能力的標(biāo)桿。某型號(hào)液壓挖掘機(jī)上的動(dòng)臂在使用4 100 h后發(fā)生動(dòng)臂開(kāi)裂事故,開(kāi)裂位置為該結(jié)構(gòu)件的中部上方與油缸連接的耳板處,斷裂動(dòng)臂外觀如圖1所示。該動(dòng)臂為焊接結(jié)構(gòu)件,主要由二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊工藝將結(jié)構(gòu)鋼Q235B材料焊接而成。 

圖  1  斷裂動(dòng)臂外觀

筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描電鏡(SEM)分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)、有限元分析等方法對(duì)動(dòng)臂開(kāi)裂原因進(jìn)行分析,以防止該類問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

焊接結(jié)構(gòu)件的體積、質(zhì)量均較大,故對(duì)故障件開(kāi)裂斷口進(jìn)行保護(hù),再對(duì)其進(jìn)行火焰分割。對(duì)照?qǐng)D紙對(duì)故障件進(jìn)行斷口復(fù)原拼接,并檢查了開(kāi)裂位置,檢查發(fā)現(xiàn)共有3處焊縫裂紋。1號(hào)裂紋位于內(nèi)部隔板與上板的角焊縫處；2號(hào)裂紋位于耳板與上蓋板的角焊縫處(左右側(cè)均發(fā)生開(kāi)裂)；3號(hào)裂紋位于側(cè)板與上蓋板的角焊縫處(左右側(cè)均發(fā)生開(kāi)裂)。從變形量方面進(jìn)行檢查分析,可見(jiàn)1號(hào)裂紋無(wú)變形拼接且相對(duì)完整,2,3號(hào)裂紋左右側(cè)對(duì)稱,但左側(cè)塑性變形比右側(cè)明顯。當(dāng)零件有多處斷裂時(shí),有的部位沒(méi)有塑性變形,有的部位有塑性變形,則無(wú)塑性變形區(qū)域?yàn)槭紫葦嗔褏^(qū)。故判斷1號(hào)裂紋首先出現(xiàn),2,3號(hào)裂紋為后期的擴(kuò)展裂紋,同時(shí)右側(cè)裂紋比左側(cè)裂紋出現(xiàn)時(shí)間早,最終這些裂紋匯集到母材并發(fā)生了快速擴(kuò)展,形成材料最后的完全撕裂變形,并最終斷裂。裂紋宏觀形貌如圖2所示。 

圖  2  故障件裂紋宏觀形貌

3個(gè)裂紋處斷口宏觀形貌如圖3所示,由圖3可知：1號(hào)裂紋斷口表面已經(jīng)氧化銹蝕,磨損導(dǎo)致斷口平滑,但隱約可見(jiàn)疲勞條紋和脆性斷裂的痕跡；2號(hào)裂紋斷面有金屬光澤,大部分為脆性斷口,局部為氧化后的黃黑色；3號(hào)裂紋斷口有明顯的扭曲變形,判斷為韌性撕裂,屬于該部件斷裂的擴(kuò)展區(qū)。 

圖  3  3個(gè)裂紋處斷口宏觀形貌

1.2   掃描電鏡分析

使用JSM－6510型掃描電鏡對(duì)1號(hào)裂紋的裂紋源區(qū)進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：焊縫底部存在少量未熔合的孔洞,這些缺陷是疲勞源產(chǎn)生的主要原因；裂紋源邊緣有多處疲勞臺(tái)階或脊棱,擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞條紋和疲勞擦傷痕跡[1]。 

圖  4  1號(hào)裂紋源區(qū)SEM形貌

1.3   化學(xué)成分分析

對(duì)開(kāi)裂動(dòng)臂原材料進(jìn)行取樣,將試樣置于直讀光譜儀下觀察,結(jié)果如表1所示。由表1可知：開(kāi)裂動(dòng)臂原材料的化學(xué)成分符合GB/T 700—2006 《碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)Q235B鋼的技術(shù)要求。 

1.4   力學(xué)性能測(cè)試

從開(kāi)裂的動(dòng)臂原材料上取樣,對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表2所示。由表2可知：原材料的各項(xiàng)拉伸性能均符合GB/T 700—2006對(duì)Q235B鋼的技術(shù)要求。 

1.5   金相檢驗(yàn)

分別在主裂紋(1號(hào)裂紋)的裂紋源區(qū)截面處截取試樣,再利用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液對(duì)其進(jìn)行腐蝕。將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：開(kāi)裂的起始位置為角焊縫底部,且底部存在未熔合缺陷,深度約為4 mm,長(zhǎng)度約為15 mm。未熔合缺陷位于焊接母材的坡口邊。 

圖  5  焊縫顯微組織形貌

根部未焊透缺陷處有尖銳夾角,夾角使該位置具有程度較大的應(yīng)力集中,該區(qū)域容易產(chǎn)生裂紋源[2]。焊縫顯微組織為晶界先共析鐵素體＋針狀鐵素體＋珠光體,是典型的凝固枝晶狀組織。母材熱影響區(qū)組織為帶狀鐵素體＋珠光體,整體焊接組織未見(jiàn)異常[3]。 

2.   有限元模擬

對(duì)動(dòng)臂斷裂部位內(nèi)部焊縫進(jìn)行有限元分析,應(yīng)力分布如圖6所示,模擬結(jié)果與1號(hào)裂紋部位的應(yīng)力分析結(jié)果相符。當(dāng)動(dòng)臂耳板受力時(shí),該位置角焊縫底部應(yīng)力最大,在循環(huán)附加載荷的作用下,這個(gè)位置最先出現(xiàn)疲勞裂紋,如果角焊縫存在尖角或缺陷,就會(huì)縮短疲勞壽命。 

圖  6  動(dòng)臂內(nèi)部焊縫應(yīng)力分布

3.   焊縫應(yīng)力測(cè)試

通過(guò)了解,發(fā)現(xiàn)客戶使用的是自行改造的超標(biāo)準(zhǔn)大鏟斗,在使用大鏟斗的情況下,對(duì)同批次生產(chǎn)的動(dòng)臂表面焊縫(2號(hào)裂紋)位置進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。動(dòng)臂外部焊縫應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)位置如圖7所示,測(cè)試方法參照GB/T 33941.1—2017 《土方機(jī)械結(jié)構(gòu)件應(yīng)力測(cè)試方法 第1部分：通則》。 用動(dòng)態(tài)測(cè)試方法采集挖掘機(jī)復(fù)合動(dòng)作狀態(tài)下角焊縫腳趾兩側(cè)的應(yīng)力數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)使用大鏟斗時(shí)負(fù)載增加,焊縫的腳趾位置應(yīng)力增大(見(jiàn)圖8),故推斷在循環(huán)附加載荷的作用下焊縫處具有開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn),且開(kāi)裂起點(diǎn)位于焊縫腳趾端表面,同故障件2號(hào)裂紋開(kāi)裂起點(diǎn)位置一致。 

圖  7  動(dòng)臂外部焊縫應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)位置

圖  8  不同負(fù)載下的應(yīng)力曲線

4.   綜合分析

原材料化學(xué)成分、力學(xué)性能、焊縫外觀尺寸的分析結(jié)果均符合相關(guān)技術(shù)要求。排除原材料本身的問(wèn)題,由于首先開(kāi)裂的裂紋在動(dòng)臂的內(nèi)部角焊縫上,該焊接位置深,同時(shí)35°的坡口較小,焊接人員使用焊槍時(shí)的角度擺動(dòng)空間較小,焊槍位置不準(zhǔn)確。在焊接過(guò)程中,焊工觀察位置、焊槍角度的變化在電弧擺動(dòng)中心和坡口焊縫中心不重合,使電弧在坡口的一側(cè)燃燒不到位,焊絲熔化后的鐵水快速降溫后覆蓋在坡口上,產(chǎn)生單側(cè)未熔合或未焊透的缺陷[3]。 

從焊縫金屬的形成特征看,焊縫是在母材半熔化晶粒的界面上,而非自發(fā)晶核依附在這個(gè)表面,并以柱狀晶的形態(tài)不斷長(zhǎng)大的。柱狀晶交界面處雜質(zhì)較多,力學(xué)性能相對(duì)較差。在疲勞載荷作用下,未焊透缺陷會(huì)沿著尖端向外擴(kuò)展[3]。 

另外,客戶使用了非標(biāo)準(zhǔn)大鏟斗,使結(jié)構(gòu)件焊縫承受的工作應(yīng)力突然增加,縮短了裂紋的生成周期,裂紋擴(kuò)展速率隨著工作應(yīng)力的增加而明顯加快。當(dāng)持續(xù)承受交變載荷、沖擊載荷時(shí),結(jié)構(gòu)件的抗疲勞性能明顯降低,導(dǎo)致裂紋快速疲勞擴(kuò)展,直到最終發(fā)生脆性斷裂和韌性撕裂。 

5.   結(jié)論及建議

動(dòng)臂焊縫開(kāi)裂的主要原因是：內(nèi)部角焊縫底部存在未熔合缺陷,形成了尖角應(yīng)力集中；同時(shí)客戶使用機(jī)器時(shí)自行改造了大鏟斗,當(dāng)挖掘負(fù)載增加時(shí),焊縫應(yīng)力隨之增加。在大載荷循環(huán)應(yīng)力的作用下,內(nèi)部和表面焊縫處出現(xiàn)裂紋源,最終導(dǎo)致動(dòng)臂上多條焊縫發(fā)生快速疲勞開(kāi)裂。 

建議在改善內(nèi)部焊縫焊接質(zhì)量時(shí),調(diào)整坡口角度,讓焊接熔合更加充分,減小尖角應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)建議客戶使用標(biāo)準(zhǔn)型鏟斗,以小量多次的方式實(shí)施挖掘作業(yè)。 

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