工程機械常見焊接件開裂與修復技術方法

工程機械常見焊接件開裂與修復技術方法1焊接開裂的基本原因企業(yè)在產(chǎn)品結構件設計、加工、檢驗等過程建立了有效的質量控制體系，力求提高焊接接頭性能，達到預防、消除焊接缺欠，保證焊縫可靠性的目標。但是，焊接由于其自身的特點而被視為“特殊過程”。這是因為焊接作為一種熱加工技術，其隨后的檢驗根本無法充分驗證其加工結果，不能完全控制與了解焊接接頭性能是否達到了預期的要求。事實上，所有的焊接產(chǎn)品都是帶著這種未知的“問號”進入用戶的手中運行和使用。在設備作業(yè)運行中，當構件受到?jīng)_擊、拉壓、扭轉、彎曲載荷與過載、震動、環(huán)境溫度變化等復雜工況時，避免不了形成裂紋，裂紋逐漸擴展導致焊接開裂直至構件斷開失效。所以這種“特殊過程”的緣故，造成焊接接頭性能的不穩(wěn)定性，導致接頭強度下降，是焊接開裂的基本原因。2焊接件類別與焊接開裂分析工程機械產(chǎn)品品種繁多、焊接件幾何形狀復雜，尺寸、重量相差懸殊，工序長短和復雜程度也各不相同。大都是采用焊條電弧焊、氣體保護焊、埋弧焊等焊接工藝方法。對工程機械產(chǎn)品焊接件分類并進行開裂分析：2.1按焊接件結構特點，見表一。類別部件舉例結構特征構成特征與焊接性焊接開裂狀況薄板焊接件發(fā)動機擋板、燃油箱、駕駛室等。板厚≤4mm的板材、型材、加工件、螺栓、螺母類緊固件等組焊而成。材料品種少，強度中等，焊接性良好少鑄（鍛）－板焊接件推土機機架-后橋箱焊接、鏟刀、拱形架、松土架；裝載機前、后車架、動臂、鏟斗；推土機、挖掘機行走架；挖掘機、裝載機動臂等。板厚≥6mm的板材、型材、鑄、鍛件等組焊而成。材料種類多，強度、剛度級別較高，焊接性復雜常見焊接管路液壓硬管由管材、法蘭、接頭等加工件組焊而成。材料品種少，強度中等，焊接性良好較少2.2按焊接件功能，見表二。類別部件舉例結構特征構成特征與焊接性焊接開裂狀況主體車架推土機機架-后橋箱焊接；裝載機前、后車架；挖掘機車架。由中、厚板、型材、鑄、鍛件等組焊而成材料品種少，強度、剛度中等，焊接性良好較少行走臺架推土機、挖掘機行走架工作裝置拱形架、鏟刀、鏟斗、松土器、動臂等。材料種類多，強度級別較高，焊接性復雜常見防護件推土機前保護板、防翻保護架等。材料品種少，強度中等，焊接性良好少操作桿件制動、液壓控制操縱桿件。由板材、型材、鑄、鍛件等組焊而成材料品種少，強度中等，焊接性良好少覆蓋件由薄板、型材、鑄、鍛件等組焊而成發(fā)動機擋板。材料品種少，強度中等，焊接性良好少連接座架各類連接、支撐座架等由中、厚板、型材、等組焊而成材料品種少，強度中等，焊接性良好少駕駛室駕駛室、司機棚由板材、型材等組焊而成材料品種少，強度中等，焊接性良好較少液壓部件液壓控制箱、油缸、液壓硬管、油箱由板材、型材、鑄、鍛件等組焊而成材料品種少，強度中等，焊接性良好少2.3按鋼材強度級別，見表三。鋼材強度級別抗拉強度σb/MPa部件類別部件舉例常用鋼材牌號焊接開裂狀況≤500覆蓋件、駕駛室、連接座架。發(fā)動機擋板、駕駛室Q235、20、08少≥500～≤600主體車架、行走臺架、液壓部件推土機機架-后橋箱焊接；裝載機前、后車架；推土機、挖掘機行走架。Q235、Q345較少≥600～≤1100工作裝置推土機鏟刀、松土架；裝載機、挖掘機鏟斗、動臂等。Q345、45、HQ70、1E860、65Mn、HQ100常見通過以上對焊接件分類與焊接開裂的分析可以看出，焊接件開裂主要集中在工作裝置類構件。這是因為此類焊接件不僅結構復雜、承受大的工作載荷，抗變形能力差，而且采用的鋼材品種多、強度級別高，焊接施工難度大。是常見易開裂的焊接件。3焊接件常見裂紋與開裂的特點3.1氫致裂紋這是一種最常見的冷裂紋。它往往不是焊后立即出現(xiàn)，而有一段孕育期，延遲一段時間才產(chǎn)生，亦稱延遲裂紋。這種延遲現(xiàn)象主要由氫引起，因此又稱氫致延遲裂紋，或簡稱氫致裂紋、氫裂紋。氫致裂紋開裂部位：對于強度不很高的碳鋼與合金結構鋼焊接接頭，往往先在熱影響區(qū)粗晶區(qū)開裂，擴展到其他區(qū)域；強度很高時往往先在焊縫區(qū)開裂，擴展到熱影響區(qū)。按開裂位置可分為：焊縫金屬裂紋、熱影響區(qū)裂紋；按相對焊縫的啟裂和擴展位置，熱影響區(qū)氫致裂紋通常有三種形態(tài)和部位：⑴焊趾裂紋一般起源于焊縫趾部（焊縫表面與熱影響區(qū)交界處）具有明顯應力集中的地方，再向熱影響區(qū)和母材延伸。⑵焊根裂紋這是最常見的氫致延遲裂紋，起源于第一層焊道根部與熱影響區(qū)相交處應力集中最大的部位，然后向熱影響區(qū)和焊縫延伸。究竟向何處延伸，取決于母材和焊縫的強度，塑性、和根部的形狀。⑶焊道下裂紋發(fā)生于焊道下方離熔合線不遠的粗晶區(qū)內(nèi)，其走向大體于熔合線平行。是一種微小裂紋，往往不能在焊件表面發(fā)現(xiàn)，它不是一條連續(xù)裂紋，而是由一條條小的顯微裂紋集合而成。這種裂紋往往在使用含氫量較高的焊條、小線能量電弧焊接高強鋼時發(fā)現(xiàn)。引起氫致開裂的原因：硬化組織、應力、和擴散氫，其中擴散氫為主導因素。3.2淬硬裂紋由淬硬組織引起。某些鋼種淬硬傾向很大，焊后冷卻過程中，由于相變產(chǎn)生很脆的馬氏體，在焊接應力的作用下引起開裂。這種開裂與氫的關系不大，沒有氫的作用也會開裂。例如：彈簧鋼、Mn13耐磨鋼、某些高強鋼以及異種鋼焊接時，都可能出現(xiàn)這種裂紋。它的產(chǎn)生既然不取決于氫的存在，也就沒有裂縫延遲出現(xiàn)的特征，在焊后可以立即發(fā)現(xiàn)。3.3焊縫表面缺陷引起的裂紋由于施工操作不當造成的焊接缺陷，也是產(chǎn)生焊接裂紋的重要因素。主要有：焊縫表面形狀不符合技術要求。如余高過大、咬邊、弧坑、熔合不良等缺陷。焊縫表面缺陷一般具有明顯應力集中、形成裂紋源，或焊縫截面尺寸減小，承載強度降低，造成焊接開裂。3.4疲勞裂紋疲勞是由于在重復載荷的作用下，導致焊接接頭或材料產(chǎn)生裂紋，開裂、擴展、失效的一個過程。工作應力往往遠遠低于材料的屈服強度。鋼材的強度越高，缺口效應引起的應力集中程度對鋼材疲勞強度的敏感性就越大。3.5施工不當焊縫存在熔合不良、未焊透、咬邊等缺陷，造成焊縫金屬有效厚度不足，承載強度降低，形成裂紋。4焊接開裂修復焊接開裂修復是工程機械施工過程中設備維修常見的手段，由于受施工現(xiàn)場加工設備、材料、工具、工人技能水平等條件的限制。一定程度上會給正確、有效的焊接修復帶來影響。因此，了解與掌握合理、可行的焊接修復技術，很有必要。4.1實物焊接開裂分析實物焊接開裂分析是根據(jù)開裂的形態(tài)、位置分析導致焊接開裂的原因。目的是為了正確制定焊接修復方案和焊接修復工藝方法提供依據(jù)，防止焊接開裂再次產(chǎn)生，力求修復后焊接件滿足設備正常作業(yè)，保障施工。實物焊接開裂分析主要從以下幾方面進行。4.1.1開裂狀態(tài)分析：觀察開裂出現(xiàn)在焊接件的位置與形態(tài)。開裂的位置是在焊縫上還是在母材上，測量開裂長度尺寸、擴展方向、斷口特征；開裂部位的焊接件變形狀況，分析焊接件開裂與工作載荷的關聯(lián)因素。初步確定焊接開裂是由焊接缺陷引起還是設備作業(yè)過載引起。4.1.2化學成分分析：化學成分分析是判定母材焊接工藝性（可焊性）、進行焊接工藝評定與制定焊接修復工藝的重要依據(jù)。通過母材的化學成分計算碳當量判定母材的可焊性。⑴工程機械焊接件常用鋼材碳當量與可焊性參見表四。部件舉例鋼材牌號屈服強度σs/MPa碳當量Ceq可焊性推土機機架裝載機前、后車架推土機、挖掘機行走架Q235185-2350.34良好裝載機動臂臂板、裝載機鏟斗斗壁、裝載機動臂橫梁。挖掘機大、小動臂、挖掘機鏟斗斗壁。推土機松土架、推土機鏟刀加強板推土機拱形架Q345（16Mn）275-3450.49良各類鉸接座ZG270-5002700.55尚可推土機鏟刀弧形板HQ1008800.839差裝載機銷軸45Mn27350.805差裝載機鏟斗切削板65Mn7850.98差⑵有條件時對缺陷部位的母材用手電鉆打孔，取鐵屑樣進行母材的C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Ni、V、Cu等化學成分進行檢驗，確定母材的化學成分含量、再查閱相關金屬材料手冊等技術資料判定母材牌號、強度級別，通過計算母材的碳當量判定母材可焊性。4.1.3焊接件結構特征分析焊接件用鋼板厚度尺寸較大時，剛性較強，因而焊縫拘束度較大。焊縫在冷卻過程中的收縮變形大量存在于焊縫金屬中，容易產(chǎn)生較大應力，引起焊縫裂紋，因此在焊接修復時要采取相應對策。4.2焊接修復方案與修復工藝制定4.2.1焊接修復方案制定主要是根據(jù)焊接件開裂的程度、焊縫形式及維修場地具備的焊接設備、焊接材料、焊工等條件制定可行的修復施工方法。4.2.2修復工藝制定內(nèi)容⑴焊接方法：焊接修復一般選擇焊條電弧焊或氣體保護焊。包括采用焊接材料、焊接設備、預熱等內(nèi)容。焊接材料的選擇。焊接方法首先是焊材的選擇，焊材選擇原則是依據(jù)母材的強度要求來確定。工程機械重要焊接件較多采用屈服強度為275-345Mpa的鋼材如Q345（16Mn），一般采用等強匹配原則。隨著工程機械焊接結構趨向于高參數(shù)、大型化、耐磨、重載、輕量化的方向發(fā)展，采用了低合金調(diào)質高強鋼。在此類鋼材強度級別較高時，焊材選擇以保證焊接接頭的塑韌性的原則可采用低強匹配。焊接設備選擇。焊接設備選擇根據(jù)選擇的焊材種類、修復場所具備的條件確定選用交、直流弧焊電源。預熱。預熱主要根據(jù)母材的焊接性較差、板材厚度尺寸大、低溫環(huán)境施工等來確定。以保證焊接接頭性能，提高焊接接頭抗裂性。當母材的碳當量≥0.45、板材厚度尺寸≥80mm、環(huán)境溫度≤5℃進行預熱。一般焊材選擇參見表五。鋼材類別鋼材牌號舉例碳當量Ceq/%可焊性焊材焊條焊絲碳素結構鋼Q2350.34良好J422低合金結構鋼Q345（16Mn）0.49良J502ER50-6合金結構鋼ZG270-5000.55尚可J502ER50-6低合金調(diào)質高強鋼HQ700.839尚可J506YJ707優(yōu)質碳素結構鋼45Mn20.805差A307低合金高強耐磨鋼HQ1000.839差J857YJ707⑵焊縫坡口形式設計坡口制備是保證焊縫良好熔合與熔透性的關鍵工序，根據(jù)開裂部位確定焊縫坡口形式是修復工藝的重要內(nèi)容。坡口形式根據(jù)焊縫形式與板厚尺寸確定。一般板厚≤4mm,對接焊縫可不制備坡口，在板厚≥5mm為保證焊縫熔透性，要制備坡口，由于焊接修復施工容易受到坡口加工、焊接位置等條件的限制，一般采用單面焊。較多采用單面V形坡口或V形坡口形式。⑶焊接工藝規(guī)范制定焊接修復工藝規(guī)范內(nèi)容主要有焊材牌號、焊材規(guī)格、焊接電流、電弧電壓保護氣體種類流量、焊接速度、預熱溫度等。選擇工藝規(guī)范時要考慮焊接接頭的性能。尤其是碳當量較高的母材焊接接頭熱影響區(qū)對焊接規(guī)范要求嚴格。焊接修復前，應進行工藝評定或工藝試驗確定合理的工藝參數(shù)。4.3焊接修復施工及要求4.3.1工件清理焊接修復前，將焊接件開裂部位周圍粘附的泥土、油污、水、銹蝕、油漆等污物徹底清理干凈，露出金屬光澤。4.3.2矯形焊接件往往在開裂部位通常產(chǎn)生不同程度的變形，在焊接修復前對變形部位進行矯正，焊接變形矯正采用加熱矯正、機械施力矯正及兩種方法結合運用。采用火焰加熱矯正方法，加熱溫度在600－800℃，同一加熱位置加熱次數(shù)不應超過兩次。焊件熱狀態(tài)矯正，一般不得在藍脆溫度（250－500℃）進行，冷狀態(tài)矯正不得在環(huán)境溫度低于－12℃進行。4.3.3焊前準備檢查焊條、焊絲牌號、規(guī)格與焊接用氣體、電焊機型號是否符合工藝要求。焊條按要求進行烘干與保溫，一般酸性焊條根據(jù)受潮情況在75－150℃烘干1－2小時；低氫型焊條烘干溫度在350－380℃，保溫時間1.5－2小時，烘干后應緩冷放置于110－120℃的保溫箱中存放、待用。實心焊絲應無油污、銹蝕、鍍銅層應完好無損。操作者對焊接機械設備、工具、吊具、防護用品及工位場地進行自檢，確認符合安全操作規(guī)程。4.3.4缺陷清除與坡口制備⑴焊接件缺陷為裂紋時，根據(jù)檢測確定的缺陷位置、長度尺寸、深度尺寸，用火焰切割方法、鑿除、砂輪打磨等方法清除缺陷。清除裂紋前應在裂紋兩端打止裂孔并清除裂紋及其裂紋兩端30－50mm長度的焊縫或母材。應將刨槽加工成四側邊斜面角大于15°的坡口或按工藝要求制備坡口。⑵焊接件缺陷為裂斷或斷開時，分別對斷口進行清理、進行坡口加工。采用氧－乙炔火焰切割后，必須將坡口面切割熔渣與氧化物用砂輪打磨清理干凈，露出金屬光澤。4.3.5裝配焊接坡口裝配間隙應符合工藝的規(guī)定，一般對接坡口間隙為1～3mm，角焊縫坡口裝配間隙為0～2mm。定位焊縫的長度為焊接接頭中較薄板厚度的4-5倍，間距不得超過300mm，定位焊縫的高度不得超過正式焊縫的2/3，最大不超過6mm。定位焊應布置在焊縫交叉口的50mm以外，定位焊縫的起弧與收弧應平滑過渡。定位焊焊縫不得有裂紋，否則必須清除重焊，定位焊焊縫如存在氣孔、夾渣應清除。焊前預熱用大號氣焊焊矩、割槍、電加熱板或專用噴槍、火焰加熱器加熱；采用紅外測溫儀測溫。預熱時的加熱區(qū)域應在焊接坡口兩側，寬度為各焊件施焊處厚度2倍以上，且不小于100mm。預熱溫度一般在100－150℃。焊接要求焊接施