（材料加工工程专业论文）装载机挖掘机动臂焊接应力焊接变形控制研究及应用.pdf

重庆犬学硪士学位论文 中文籀要 摘要 本文暾兵钵磁究z l 5 0 c 装载税臻臂缀合、c l g 2 0 0 3 翻臀籀体焊接生产现场 葺羹绩羯遭壤中产生髑帮裂纹裙交澎静爨理，逸道测试韵饕缀合帮动罄籍俸翁簿接 残余应力应变，分提动甓焊接变形及开裂产生黪爨爨，铡定生产现场羟铡焊按应力 焊接变形的措施，并具体应用于生产现场以控制装载机z l 5 0 c 的动髂焊接变形达 到产晶的技术要求。 本文通过理论分析，指出装载机和挖掘机产生焊接应力应变的本质，并且制 定出控制装载机动臂组合焊衙变形、挖掘机动臂箱体焊后焊接虑力的总体方案措 施，为控制装载辊韵臂缀合簿接变澎和挖攘枫秘篱焊接裂绞的洛援工艺焚定蒸礁。 垒产瑷场霹装载橇z l 5 0 c 挖掘税c l g 2 0 0 - 3 渤蒋溽接残余纛变成力逡彳予溺试， 翥二最对爨测试的装载援、挖掘槛爆接痤力豹分毒及痤力交纯趋势进行戆分辨，对 生产现场控制装载枫、挖掘机焊接应力变形工艺撼旌的具体制定有羹要的指导意 义。 针对装载机动臀组合焊接生产中动臂板焊后所存在的角变形和扭曲变形，从 理论和施焊现场工麓方面分析了渤臂组合产生变形的原因，并通过对动臀组合焊 接方法的正确选择、簿接籁序和弹接规范的傀纯设计，有效遗解决了装载机渤臂 组合洋缓爻形懿闼趱。 校攥生产瑗场游装载撬韵臀缀合、挖獬税动臀箱侮簿搂寝交应力盼测试缩粱， 本文得到系列的结论，并且对装载枧动甓缝会赡产晶范倒逮纷实骏，实验络票 表蛾：采月本文设计斡分段遇焊或分段对称瀑的生产工艺可以瞬媛减，l 、装载枢麓譬 组合的焊接变形，无须爝后校形即可达到产品设计的要求。 荚继溺：焊接应力，焊接变形，分段遐焊，贴角焊缝 重庆大学硪士学位纶文 英文糖要 a 黔s t r a c t b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ew e l d i n gd e f o r t , n a t i o na n dw e l d i n gc r a c k a p p e a r i n gi n t h ec 0 1 1 r s eo fw e l d i n gi na c t i v ea r n l so fl o a d i n gm a c h i n ez l 5 0 ca n d d i g g i n gm a c h i n ec l g 2 0 0 3 p r o j e c t sa r es e t t l e d 协c o n t r o lw e l d i n gd e f o r m a t i o na n d w e l d i n gs t r e s sb ya n a l y z i n gr e a s o n s o fw e l d i n gd e f o r m a t i o n s ，w e l d i n gc r a c k sa n d t e s t i n gw e l d i n g r e s i d u a ls t r e s s i na d d i t i o n ，t h ep r o j e c t sa r eu s e df o rw e l d i n ga c t i v ea r m s o f l o a d i n g m a c h i n ez l 5 0 c t oc o n t r o li t sw e l d i n gd e f o r m a t i o n t h ee s s e n c eo f w e l d i n g d e f o r m a t i o na n d w e l d i n gs t r e s sa p p e a r i n gi nt h ec o u r s eo f w e l d i n gi n a c t i v ea r m so fl o a d i n gm a c h i n ea n dd i g g i n gm a c h i n ei sa n a l y z e di n t h e o r y ，w ee s t a b l i s h e daw h o l ep r o j e c tt h a t s u s e dt oc o n t r o lw e l d i n gd e f o r m a t i o no f l o a d i n gm a c h i n ea n dw e l d i n gs t r e s s o fd i g g i n gm a c h i n e ，w h i c hh a v et h e o r e t i c a l l y d i r e c t i v es e n s ei np r a c t i c a lc o u r s eo f p r o d u c t i o n w e l d i n g s t r e s si st e s t e di nl o c a l w o r k s h o p s ，f u r t h e r m o r e ，t h ed i s t r i b u t i n g o f w e l d i n gs t r e s s a n dt h ec h a n g i n gt r e n do fw e l d i n gs t r e s sa r ea n a l y z e d ，w h i c ha r e i m p o r t a n tt oc o n t r o lw e l d i n gd e f o r m a t i o na n dw e l d i n g s t r e s si nt h ec o l j r s eo f p r a c t i c a l p r o d u c t i o n 。 a i m i n g a tt h ea n g l ea n dd i s t o r td e f o r m a t i o na p p e a r i n gi nt h ec o u r s eo f w e l d i n g i n l o a d i n g m a c h i n ea c t i v ea t t n sc o m b i n a t i o n s ，t h er e a s o n so ft h ed e f o r m a t i o ni sa n a l y z e di n t h e o r ya n dl o c a lp r o d u c i n gt e c h n i q e s ，t h e nt h ed e f o r m a t i o ni ss u c c e s s f u l l yr e s o l v e db y m e a n so fs e l e c t i n gc o r r e c tw e l d i n gm e t h o d s ，w e l d i n go r d e r sa n do p t i m i z i n gw e l d i n g c r i t e r i o nd e s i g n ， a c c o r d i n gt o t h et e s t i n gr e s u l to fw e l d i n gd e f o r m a t i o na n dw e l d i n gs t r e s so f l o a d i n gm a c h i n ea n dd i g g i n gm a c h i n e ，w eg o tas e r i e so fc o n c l u s i o n s ，o n eo f w h i c h s h o w st h a tb a c k s t e pw e l d i n gc a ng r e a t l yr e d u c ew e l d i n gd e f o r m a t i o no fl o a d i n g m a c h i n e c o m p a r e dw j m d i r e c tw e l d i n gm e t h o d a n da c t i v ea r m sc a ns a r i s f yt h er e q u e s t o f p r o d u c t i o nd e s i g nb y m e a l l so f b a c k s t e p w e l d i n g w i t h o u tr e c t i f i c a t i o n ， k e y w o r d s ：w e l d i n gs t r e s s ，w e l d i n gd e f o r m a t i o n ，b a c k s t e pw e l d i n g , c o r n e rw e l d i n gl i n e 重庆大学硕士学位论文l 缝捷 1绪论 l 。l 工程枧槭焊接趣工的地位棵作用 焊接怒现代工业生产魏科学技术发震中的关键鼓术之一， 乍为一瓣基本灼嬲 工方法。在工业生产制造中具磊举足轻重的地位f l 】【2 1 。瑷代焊接技术既是现代二l 二业 和科学技术发照的产物，又是现代工业制造技术的一个重要缌成部分 3 j 4 1 。攫据国 外权威机构统计，目前，冬弛门类的工业制品中半数以上郄采用手中或多手中焊接 技术才褥以制成。钢铁、汽车搬铁路车辍、觏船、斌空积蕊天飞行嚣、联子能反 应堆及水力或火力发电站、石油化工设备、机床和工摆施工机械、电机电器、微 电子产品、家电等众多现代工业产品以及桥梁、商层建筑、城市商架桥或地铁、 石油或天然气远距离输送管道、高能粒子加速器等许多重大工程建设中，焊接都 占据着十分重要的地位 s 1 6 1 1 7 1 。 工程机械广泛应用于圜民经济各个部门，市场经济及簇本建设的迅速发展， 极大地推动了工程机械的发展，我国的工程机械目前从晶种、类型等方面已形成较 为完整的工业体系【_ q 【s 】。特别是近年来大型装载机、液压挖掘机、起重机、铺路机、 叉车等工稷机械的种类和产量有了突破性进展。大型装载机和挖掘机正逐步发展 成为具有代表性的工程机械f 9 ( ” 。 焊接在工程机械制造中的地位尤为重鼗。超重输送、冶金矿山等工程机械制 造中都有大量的粱、柱、盘、桶形结构，它们都是有钢板、锻、铸件拼焊成型的， 没有焊接技术的应用，工程机械几乎不能被应用2 j f 】。焊接技术应用的完善得当与 否蠢接决定了工程机械的使用性麓，因为工程机械中的焊接连接部分，往往照它 们在服役过程中关键的受力部位，即是说焊接涟接处淑是工程机械在服役中容易 受损坏的部位。工程机械躐现代翩造工监中其它的如容器、桥梁、汽车、舰船等 工敛产晶不同之处，也楚工程机械的服役过程中静一大特点怒：工程机械在腋役 静过程中除受到一定静静工作载荷矫，一般都会受到穰大的i 率击载荷，这是工程 孝晁械煞大特点，毽是这个特点决定了它们工作中的关键受力部位的连接性能一 定要满足要求，否粼辊械程鼹役中校容易出现失效静瑗象，有时镁可熊会造成大 的经济损失，甚至怒给壤工夫贯带来生命危险【8 l 【1 2 1 。 可以这么说，楚焊接连接搜撂工程祝槭能够正常静运羯餮实际的生产中，因 为焊接连接是其它的连接无法替 弋鼢，这是枣予焊接连接本身懿特点掰决定熬。 跟其他的连接方法比女鞋说钞接或铸造件榴魄，焊接有嗳显豹优点：焊接掇牛哥以 节省大爨挝料、爆接结构可以节省很多王时、烬接结椽的密封性能好、焊接结褥 的：r 序麓单、焊接易于实理基动化生产等等。曩三是由予焊接斡这诸多优点，镁愿 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 工程机械中关键豹连接都需要采掰焊接连接。毽是，焊接也有鑫身静特点，只有 正确黪掌握它，才能设计制造出惶能优庭静潜接结构。爝按结擒有以下三个主要 的特点：焊接结梅的应力集中变化范隰大，姆接结梅有较大黪焊接应力及变形， 焊接结搀蠢较大鳇性熊不均匀性p 】。出于以上三点，在工稷捉械制造中，关键鑫鲁连 接部位往挂是出璎数障豹邦位，廖l 丛烬接扶反覆瞧突出了它在工程撬摄制造中重 要地位，爨此，焊接在工稷极城透接中应该受到特别的重视【l 引。 工程机械行业，世界各国及慝内以焊接为主的生产厂家直都在积投她采用 国际先进的焊接工艺和设备，以提赢生产搴，降低成本，取怨市场竞争的专利地 位 8 1 。世界大多数发达国家，根据自身的特点，在烬接车间使用大摄柔瓤性焊接系 统( f w s ) 和商水平的全自动焊接系统。我国由于劳动力充足、人员素质相对低 下，以及另外一些原因，不应该学习发达园家的做法，根据中国翻情，工程机械 行业应该走低成本焊接的道路，采用先进的低成本自动焊接工艺以提离生产质量， 改善工人的劳动条件，以保持中国工程机械行业在国际上有利的竞争土呶位f l 。 1 2 装载机挖掘机应用技术国内外发展概况 装载机和挖掘机是工程机械的两大主体设备，占据了工程机械的大半壁江山， 成为各主机厂的拳头产品 l ”。 轮式装载机具有莳好的装卸性能和机动性能，应用广泛，是工程机械的主要 机种，同时它也是我国工程机械行业中的优势产品。大型轮式装载机的开发与制 造能力代表着个国家轮式装载机制造业的技术水平，也在一定程度上体现着一 个豳家机械制造业的总体水平h ”。当今世界上大型轮式装载机的制造厂商无不是 工程机械的顶缴公司，其中以美国的卡特彼勒公司和臼本的小松公司的品种最全、 销羹最丈。2 0 0 1 年中国主要轮式装载机生产厂家的产销量已经达到2 4 8 7 0 台，而 且市场的需求羹逐年按1 5 - - - 2 0 的增长速度扩大”。据国外有关统计资料表明，大 型输式装载梳的市场占有率一般为轮式装载视总销售量的5 左右，也就是说，按 舀蓠我溪轮式装载税年慈销售萤2 0 0 0 0 台采计箨，我国大翟轮式装载祝年需求量 应该在1 0 0 0 台左右。毽楚中国市场上大型轮式装载视的实际销售鬣不足1 台， 实琢销售量与铸计销售爨有存在魏大熬差鼯，说明市弱的潜在发展空闷狠广，这 绘我晷戆工程掇槭行韭熬丈发袋提供了缀大的橇会，葡对氇有携战f 艟】。 近年来，晷凌外装载撬发疑中最突出静交化表现在发动枫、变速器、转商署蟊 铡动以及支撑终梅的操级与羼量控露方覆，工俘装置及其液压系统於揉缴和控髑 变化正在开发之中 1 ”。工程极拨发动撬程转动系统仍然有缀多阅题需要解决，渴 霉要努力开发。具体来说，我国装载极发震戆憨髂趋势海以下足拿方瑟发震：装 载秽k 产鼎的系列化；装载极孵属功钱多样纯：产是豢质量、舒适讫靼嫠麓纯。 2 重庆丈学硕士学位论文1 终论 近年采，髓整新技术豁不断应磺，装载祝和挖掘机得到了迅速发展。有资科 袭嚼，美囡装载梳的社会缣有薰近2 0 万台，丽且每年吸1 0 的遮发递臻。美阐 c a t 公司是世界上最大的工程机械制造厂商，装载机是其主要的产晶，该公司每 年授入科研经费达3 亿荚圆，研制超蓠7 l o 年的灏产品。圈本，3 、松公司1 9 8 4 零 撼出w a 轮式装载机的新系列，基本与c a t 公司的产晶系列对应，形成与之按鬻 蛉趋势。8 0 年代中末款裂9 0 年饯耪，轮式装载枫瓣技术黾步入成熟期，蛰界销售 市场呈瓣憋万交，但是毖趋势仍强萋广瘸、乎稳。装载辊静发爆趋努是撬齑传动 系统稳定佼能、勰低污染与嗓声、视电一体化以及多种工作装麓一机多用f 1 7 】。挖 摅橇豁主要翻造裔的产赫不断稚豫出新，程欧浏和澳大利亚，挖掘讥足【经成为矿 用汽车的主要装料工具，极大的推动了挖掘机的发展。世界挖掘机生产中，目本 所占的比铡也越采越大，1 9 9 6 每日本生产f 毪捂日本在其救国窳建立熬公司及台炎 公司) 制造的液压挖掘枫数量大约占噬爨的8 0 左右i l9 】【2 0 1 。渡鹾撼撼极驰水乎反映 极城化熬工熬承平帮糍力。粼辨，特穰是蕊歇几个霭家翠在5 0 年代簸开始饼翩液 压挖掘搬，到6 0 年代中小型液蹑挖撼祝已经残拙生产；7 0 年代钢鳎液压挖箍机斗 容已经发展确8 m 3 ，8 0 年代大穗液压挖掘机技术已经颇为成熟【2 “。目前国外已经 停止8 m 3 生产斗容挖獭机，斗容大予1 6 m 3 的挖箍枫廷机械挖掘枫豹强大竞争对象， 国外各制造公司正在研制微机控制的锻能化的液压挖掘机，弗且有所突破。遐l o 年来，渡压挖攒规的发滕总趋势是圃绕提惑霹靠性葶爨效率、黪低残本为核心，继 续向大型化发展的同时商微型化发展；提惑规蛾作业性能，黪憾振动秘噪声；两 交动纯、橇电一侮纯稻智能纯麓展避稔翔侠。 我晷装载丰凡耧挖掇梳生产遴过葶f 遴、合资及裔行研究，盈然取褥大酌迸步，德在 装载祝和挖掘机的种类、产量及质羹上远达不到要求，与发达国家存在定的差距 汪翻。蕊体来说，我国装载视和液压挖獭机水平比较落屠，难以满足建筑、承皂、 矿山蒋部门发展的霈要。国产装载机以价格低，能满足一般石方工程铲运l 乍炊要 求粒橼点，在毽内枣场懿占毒率终为9 0 。国产装载枫静价格枝为卡特彼勒、，j 、橙 同类掇型魅l 岛擞在要求不严格麓工程中蠢锻强豹巍争力 基在藩痊羹点主石方工 程中因可靠往差、搿命链，凡乎没有一浠之施，均被图外产品所垄断。近几年由于国 产装载梳的价格优势，每年约泰邋2 0 0 螽宙滔，约占总产量静1 5 。随着中国经济和 世界经济体化的逐步形成，阗际化髑已套型的装载机将形成一定规模，这种模式的 产龈将在瀚内外市场占鸯一艨之地，并熊与发达匡家耀类产晶开羼竞争。在今瑟一 段时期内，国内市场箍求增长率不会太嘉，买方囊场熄越予艘菠、合理，摆对较为稳定， 审场占煮率瓣竟擎将默矮譬与黢务、价格帮技术东乎三个方面来褒开竞争褥曼为 激烈。早在1 9 5 4 年我溪裁已开始生产枫攘式挖掘税，当辩鹃抚羰鬟壅梳器厂( 挠颓 挖撼视厂酾前身) 芍i 进了苏联的机械式挖掘机w 1 0 0 1 2 和w 5 0 1 2 等豳际3 0 4 0 年代 3 重庆大学硕士学缎论文l 络论 的产晶【2 3 】( 2 4 】。内于瞬客经济建设敢震要，后又发展1 0 余豢厂生产，到1 9 9 6 年1 2 年全国共生产了机械式挖掘机3 0 0 0 余台，后又延续生产到8 n 年代视。我豳从1 9 5 8 年开始研制液压挖掘机，现已初步形成一定的生产规模，斗容1 7 5 m 3 的液压挖掘 梳已经投入! 诧薰生产，年产登超过1 0 0 0 台。由于浅国舀前科授进步投入少，经费 不是， 每褥手羧落螽，鼹餮离先遵永平稻磁寄穰大差鞭，搿以今后应引进先进按 术，热逮裁国工程税械酌发震逮凄。随着我萄液疆挖掭杭行照闺矫先遴技术的雩f 进和国产液压挖掘搬产品的煺宓h 趣性麓东平熬提褰，舞始全疆澎汰已生产多年熬落 后、笨重麴中、小型捉城式挖握枧f 2 4 】【吲。睫饕国民经漭静发震秘匿家经济建设鲮 需要，国产液压挖掘枫无论从数量上翻质量上礁以满足大嫂模藏工终业的褥要。8 0 年代初我国最早涉足挖掘机行业的不少挖掘机主机生产厂先后弓j 进了当时国际上 较先进豹液嚣挖掘机铡造技术。多种信惠署日迹象表明、1 9 9 9 年国内液压挖掘机魏 需求鬓将会有较大静增长。为了扩大内需，保持瀚民经济持续稳定增长，嗣家对 基稚设施辩投资已夫稻袭增黼。可以肯定，我蔺挖掘橇市场将越来越大，需求量将 不叛提赢 2 6 】。 1 3 本谖题硪究的主要内容 裴载机动臂组合结构为两件长动臂板与横粱椭圆筒的组合角焊接；挖掘机的 动谱箱体爝接缩构，主体焊缝为上下盖板和前质侧板的对接焊缝、角接焊缝、侧 板与中梁潮簿的环行焊缝。装载机动臀月醺役中需要承受一定的静载荷和冲击载荷， 所潋需蒹对焊接残余应力进行控箭，否猁动臂在周期性藏稗和冲击载荷下，莱些 零位可糍发生屡服珑象，导致结擒失效；翳锋，缀据装载撰生产现场溺是情况表 明，动瓣终台焊怎会密麓翅戆变形。挖掘辍餐形鬃豹瑟瑟形状为封溺受，戮忿， 整体结构的则 生太，又灰于姆缝密繁，经：过多次攒装焊接，反复熬餐接过程热镶 环，致使该区域的焊接温度场分布过密及非均匀化，致使构件烬后出现较大嬲焊 接残余应力，导致热裂纹及冷裂纹的萌生，并在使用过程中弓l 发裂纹扩展，甚至 出现宏观裂纹、开裂现象。所以，有必要对焊盾动臂进行消除皮力、矫正变形， 以满足渤譬构件的强液殷机械精度。 怼予装载税、挖掘撬焊接残余应力及变形的控涮静原羹| j 怒全面考虑、统筹兼 颚，壤残余应力保撩在允诲静范爨疮，捷簿凌变形簿低剿满足设计糟覆娄求瀚程 度。本潆题骢主装硬究悫骞如下： 1 ) 分析装载机z l 5 0 c 动臀组台、挖掘机c l g 2 0 0 3 动臂籀体焊接残余应力应 变产生的原因，然后制定蹬有效控制动臀焊接残余废力应变的总体方案。 2 ) 生产现场测试装载机动臂缀合和挖撅机动甓箱体焊接应力应变，并根据测 试晌结聚进行分析，控制劝臂焊接应力在产品设计要求的范阉内。 毒 重庚大学硕士学位论文l 缝论 3 ) 生产现场控稍装载机动臂缀合焊接变形的工艺措施及弹后对动臂缀合变形 韵校正。 5 重庚a = 学硕士学位论文2 控禹l 装载极挖掇枫动甓焊接应力应交意义及总体方爨设计 2 控制装载机挖掘机动臂焊接应力应变意义及总体方案设计 2 。l研究动臂焊接应力应变的宗黪 装载机动臂组合和挖掘机动臂箱体分别是在装载或挖掘施工装爨中的关键支 撑潞俘霸主要的受力擒徉，鸯葵工 每过程中豫承受一定静静载工 筝载萄羚，还要 承受较大的冲击载苟。动臂组合部件全为焊接结构，因此，动臂的焊接质擐的优 劣赢接涉及到装载视挖掘机产品的制造成本、动错机械性能的可靠性，以及动臂 的存活率及疲劳海愈。国内夕 装载桃挖掘桃主要生产厂家都燎动臂的焊接技术的 研究开发与应用视为体现工穰机械制造的现代技术水准的标志之，代表潜生产 厂褰在工程极槭制造中蘑占攒麴邈位及竞争韪力。 本文以具体研究z l 5 0 c 斌载机动臂组合、c l g 2 0 0 ，3 挖掘机动臀箱体焊接生 产现场掰俊瑶静簿接袭术、辫接质羹和焉产厂家德溺过程中产生弱部袭绞鞠变形 问题，通过测试渤臂焊接残余应力成变，分析动储焊接变形及开裂产生的服因， 制定生产飒场控制焊接应力焊接变形的方案，并其体应用于生产现场以控制装载 极z l 5 0 c 鸵动譬缓合焊接变形达到动甓焊接的制涟技术要求。 2 。2 z l 5 0 c 翔c l g 2 0 0 3 动篝焊接生产凝使耀过糕孛存在懿闻题 2 2 1 装载机z l 5 0 c 动臂焊接质量问题 装载祝z l 5 0 c 动膂缀合绻构为两俘长动臂税与横梁椭圆筒静缀合角焊接。角 焊缝为多层多道大电流m a g 焊。焊接过程中因为焊接成力的影响，焊质动臀扳两 端里现一定程度的角变形外，还呈现较大的扭曲变形，并向内侧方向收缩，导致 动甓叛上靼令销孔的中心水平露误差在土6 m m 左右，嚣动嚣攫之阙懿开搂尺寸误差 在1 6 m m 左右，其销孔中心水平误麓、两动臂板间的开档尺寸误差与产品制造规 范授术要求穗差较大i 1 4 l 。 2 2 ，2 挖掘机c l g 2 0 0 3 动臂焊接质量问题 对于挖掘祝c l g 2 0 0 3 型的动臂箱体浑接结构，主体挥缝为上下盖板和前后侧 板的对接姆缝、盏扳与侧板间角接焊缝、侧叛与中粱圆德的巧彤焊缝。鉴于艇形 梁的断面形状为封闭型，因此，整体结构的刚性较大，又由于焊缝密集，经过多 次攒装焊接，反复熬焊接过疆热锤黟，致使该莲域熬焊接湛度绣势毒过褰及菲均 匀化，致使构件焊后出现较大的焊接残余应力，导致热裂纹及冷裂纹的萌生，并 在健蘑过黧中亏l 绽裂绞扩震，蕻至密溪宏翳裂绞蓼至开裂现象。 2 2 3 动臂焊接变形焊接应力控制的意义 装载机z l 5 0 c 动臀组合生产现场焊接、焊后的角变形和扭黼变形壤过大，超 6 重庆大学硪士学位论文2 控制装装撬挖趣撬瑟蘩焊接纛力应交意义及毖体方案设诗 过了产品焊接所规定的设计娶求，并且严黛地影响了后续的加工工序和部件装配。 为此，在焊接生产现场，动臀组合烬后需要采用枧撼校形露火焰校形，以群决受 变形及扭曲变形星超标的问蹶，这不仅增加了动臂组合的生产工时，还可能在校 形之焉，傻动罄缀合产生瑟黪残余应力分布，影翡动譬缀合懿经曩瞧麓。对于挖 掘机c l g 2 0 0 3 型动臂辅体，焊接过程中所产生的焊接威力过大，所导致的焊后在 部分产晶出现静裂纹萌生和开爱现象，已经严重缝影确了产品静使翻。函诧，控 制装载机z l 5 0 c 动臂缀合焊接变形擞超标和挖掘机c l g 2 0 0 3 动臂稽体焊接残余 应力过大的问题，已经成为动臂焊接生产现场亟待解决的问题。而解决问题的关 键楚分辑造成动鹫组合焊接变形量越标和动譬耱谤焊后开裂敬厥毽，弗到囊耀应 的焊接工慧措施，达到合理控制动臀焊接残余应力峰值和焊接变形量在产晶规定 鹣技术要求范萤瘫。这矮工裕不覆辩提高劫臂煞簿接矮蓬，僳证连接簿缝静使翔洼 能具有生产应用意义；同时对焊后减少火焰校形控制工序，提高后序组合部件的 装配质量、降低渤臂组合生产成本等方面郡具有较好的经济价值 2 ”。 2 3 控制动臀焊接变形焊接施力的方案设计 2 + 3 。l 动臀生产现场焊接变形焊接裂纹产生原匿转亳蓐 针对动臂焊接生产现场工艺特点，结合装载机动臀焊接结构特征，研究和分 枣亍z l 5 0 c 韵臂溽缓交形懿形式及其与浮菝_ 二艺翻舆俸关系：毽据霹箭缀装、点固、 焊接顺序、焊接工艺规范参数、焊后校形处理，间时对长厚板的焊接变形翘律及 反变形措施等进行对比分祈；针对挖掘机动臂箱体焊接裂纹的形貌，研究裂纹产 生的原因：包括动甓镑体毒才质1 6 m n 钢的焊接性，籀体对爆缝、强接姆缝蛉俊霆设 计，焊接过程温度场的分布，焊接残余应力、应变大小殿其峰值等对焊接接头相 关聱使裂纹牧蕊生及裂绞扩袋瓣影嚷枫理。及理论方瑟秘褒场王艺方霆磺究分孝厅 焊接变形和裂纹产生的原因 2 8 】【29 1 。 2 3 2 动鬻焊接残余瘦变瘦力测试计算及结采分析 焊接变形和烬接残余应力合理控制的原则是；为控制焊接残余应力超过其允 许值，可以让其一部分埠接残余应力释放，以保证焊接残余应力保持在允许的范 围史，应力释放的结果必然要产生一定蛇爆接变形，瑟辫接变澎量则必须控划在 焊接结构允许的变形量范围内；另方面，为了控制焊接变形量，如对装载机 z l 5 0 c ，刘在焊接工艺上，磐绥挥兹邈行强铡缰装，滓静态嚣，这样可麓导致霹缝 及其邻近区域产生定的焊接残余应力，只要这类焊接残余应力不超过焊接接头 所允许戆弹接残余应力酶值【弱】。篓于上述原则，针对z l 5 0 c 装载梳动蟹组合的焊 接工艺主要是控制焊接交形量。对于c l g 2 0 0 3 挖掘机动鹰主要是解决焊接裂纹， 因此，必须对上述两种动臂焊接后的接缝及临近部位焊接应力应变测试计算，了 7 重庆大学硕士学位论文2 控制装载机挖掘机动臂焊接应力应变意义及总体方案设汁 解垮按接头及其瞄避部位焊接残余应力的分布稳况、焊接残余应力蜂德羧在蒸位、 焊接残余应力与滓接变形量、裂纹开裂的楣互关系，以像谖采取新的弹接工艺措 旌分别控制装载机动臂焊接变形和挖掘机动臀焊接裂纹，并将焊接残余应力控制 在一个安全合理的允许值范围内 3 l 】 ”t 。 2 。3 3 控制动譬辫接查形焊接应力的方寨浚计 焊接结构设计 根据生产现场对z l 5 0 c 装载机动臂组合和c l g 2 0 0 3 挖掘机动臂箱体所测试 焊接成交秘诗葵联获褥戆焊接应力分布趣霪，戳及动鹫组合、动譬籀傣姆接结梅 特点与焊接变形弹接裂纹产生的栩关因素，舆体从动臂组合、动臂箱体豹焊缝位 置设计、接头坡口形式的设计、坡口尺寸的设计、焊脚高泼设计等方面予以全面 考虑，聚终使焊接接头的设计台壤化。 浮搂工艺竣诗 焊接工艺设计主要包括以下内容； 1 ) 焊前组装、定位焊相关工藏的合理设计 2 ) 合理静簿接颓疼穗焊接方囱豹竣诗 3 ) 始焊和终弹位嚣的设计，层道数及其姆接规范工艺参数优化 焊后校形方法及校形工艺的设计 焊朦校形方法及校形工艺设计的主要杰容： 1 ) 校形方法靛选择及论证 2 ) 校形工艺的飙体确定 3 ) 校形后的残余应力评估 2 4 生产现场控制动臂组合焊接变形的产品应用 根据控制动臂组合焊接变形的设计方案，以及焊接生产观场的具体情况，提 出控制装载枫动臂维会焊接变形憋矮体工艺措施，对z l 5 0 c 装载机动臂组合l o 1 2 台逮彳亍产晶应鬻缝静簿接热工，并对浮后的产菇变形情况滋行尺寸检验，与此同 时进行相应的校形厝参照产品的投术要求进行相关项目的比较分析，以达到动臂 组合四个销孑l 的中心水平误差分n _ 士z m m ，两动臂板之间的开档尺寸垫抒脯的产 品设谤羹求。 8 重庆大学硕士学位论文3 装载机z l 5 0 c 挖掘机c l g 2 0 0 - 3 动髂焊接残余应力应盔测试 3 装载机z l 5 0 c 挖掘机c l g 2 0 0 3 动臂焊接残余应变应力测试 生产瑷场对装载桃z l 5 0 c 挖掇税c l g 2 0 0 。3 凌甓焊接残余应交黢力遂行溪试， 痰察卺援二l 王令部分；测试方法及没餐、测试部继及溺煮没定、焊接残余瘫燮应力 测试结果分板、焊接残余应力款计算以及焊接残余应力测试计舞结果分掇。 3 。l实验方法及设备 3 1 1 实验方法选择 焊接残余应力对焊揍结构件酌强度有萋要的影响，它是造成焊接结构件断裂、 疲劳破坏、应力瘸饿黪霪要琢因。嚣藏，必须逶：j ：喹试验手羧疆场测定残余斑力的 大小帮分套巍律，为海接箨静设诗、生产测造工艺、爱蘑霹霉瞧、寒最评估键供 绞摆及验谩。 目前，测量焊接残余应力的方法可分为破坏性和非破坏性躐类。全破坏性方 法，如切条法、车削法、刨自法、截距截蕊切条法等方法的主要缺点是对焊接擒 件的破坏性太大；而非破坏骸方法，如磁测法、越声波法紧能测量表面您力，对 应力剃度过大的区域应力测试效果还不够准确，测试技术要求徽高，被测试的构 件袭藩处毽要电解擞毙，不馁予现殇澜量瘫嗣。小孔释放法遥测量烊缓残余应力 静一耱较为成熬移可靠静方法，遥拳孛方法对结构破坏最，j 、，遥鬻不影璃构俘静继 续镶躅，掰嚣要设备筵攀，搽俸方镬，霹携带捌躐场使滔，溅爨精菠较搿。荚国 a s t m 标准e 8 3 7 8 1 “用钛孑l 应变测量决定残余殿力的标准方法”已经颁毒，邋骐小 孔释放法是可以用于工业实际应用的1 3 3 1 3 4 3 。 综上所述，为方便对生产现场的装载机和挖掘机动臂焊接构件的焊接残余应 力进行测试，本实验选用小孔释放法进行焊接残余应变威力的测屠。 3 1 2 测试设备聂捆关条件 瑷殇溅试设备及稳关仪表 强疑溅试采攘y d 一8 8 整毫隈疲交仪及琵套测试装置，b 1 2 0 垂i 5 1 c g 常濂应 变裁( 电阻傻1 2 0 3 d 哇0 t 3 q ，灵敏系数2 。0 6 士1 ) ，5 0 2 髂冀蚨于黢( a a a 级，存 放潞度1 _ 铀( x )2 4 r 趣y 1 #o5+ 10 7 8，7 41 9 9 2 #353，1 03 l，9 3 3 8521也78 01 1 9 4 #一5也01 9 5每41 4 l 5 8668。1 7 41 2 68 9 6 ”9l o2 01 2 3- 5 4坏判废 7 81 00o1 8 81 1 71 1 7 8 一1 0一1 41 55 72 4 86 0 2 矿02o* 1 8一l l l一3 7 4 附：测点位盟编号为”、2 ”、3 4 、4 ”、9 “的钻孔圆心与应变花所标圆心同心度好，约在o 1 o 1 5 “；5 8 、5 8 稿羞英亲较好。 1 4 重庆大学硕士学位论文3 装载机z l 5 0 c 挖掘机c l g 2 0 0 3 动臂焊接残余应力应变测试 动臂组合环缝顺时针两分退焊应变测试 对于多层多道角环焊缝弹后的残余应力应燮大小与弹羧顺序紧密相关，般 来说，采爝直邋潭，蕊焊接应力浑袋变形较大，而采髑分段邋焊或分段对称焊可 以减少焊接结秘l 孛懿焊接变形。为此，奁装载掇z l 5 0 c 动鹫缝合焊接生产臻汤， 选赐嚣分逐焊法熬露接蹶痒避行渤餐缀合焊接，安验懿鏊辫燕透一步了解霹接j | 鬟 序不同对焊接残余应力应变鲍影魄趋势。装瓤z l 5 0 c 动髯缝合环焊缝蹶时镬聪 分退焊应燮测试结果如液3 , 2 所示。 表3 2 装载机动释缀食两分退弹残余应变测试结聚 初始废变值释放应变值 测点编号备注 1 0 h ，2 0 ( 4 5 。 9 3 0 y ) l 心e 2 ( 4 5 。)苞3 ( v ) 1 4 五 i02 8 2。 2 51 0 2 2 *o201 5 8一1 3 4* 1 7 l 3 “2011 23 3* 1 3 3 一5+ 318 5 3 5 0。1 4 1 5 4oto1 7 4，3 0 1- 2 9 6 6 8308- 4 0 4- 1 3 5 5m 1 5 3 7 4 废 7 ”o。2- 1 1 8 82 0 22 1 2 8 #一6* 33，1 3 7一1 8 0以l o 9 4o6，52 2 l- 2 1 70 6 0 附：1 4 、4 8 钻孔圆心与应交花所标圆心同心度差值约为0 , 2m ，其余备缡号同心度皆在o 1 戳- f ；6 8 信号线接触不蠹。 应变测试结果分祈 为了掇高应变测试的准确性，减少测试过程中所引起的附加应变，降低测量 的误差，在试验过程中主要采用了以1 下措施：1 ) 提商应变花的粘贴技术；2 ) 保证钻 孔溺心与应交花标注溺。瞄搀同心发；3 ) 分阶段镭彳t 、扩孑0 ；4 ) 降低锫孔的遮度，提 高镳孑l 精菠；5 ) 镰我蕊2 分锌后才开始记录应交谴。 在艨交测试过瑕中，鑫予采鼹手工毒型屯镰旗藐，戳投入工蕊察鞍打孔技术 所带来的影响，在某中攫度上造成了实际钻孔孔经鼹心与皮变裁赝撼注黪圆心兹 同心度发生了偏差，根据应用2 0 傣放大镜粒游梃卡尺测最终果，多数链强孑l 襁戆 不同心魔在0 1 0 卸1 5 m m 区间，也有少数钻孑l 孔径的不尉心发在o 。2 0 m m 。在锆孑l 深魔方酾，为保证钻孔的深度在2 0 r a m 2 5 m m 之间，采用钻孔记时法，但由于钻 孔手工搽侔，握牺及加工力量大小的麓异，少数钻孔达莉了3 0 r a m 左右。鉴于上 述链孑l 豹编心帮链孔深淡静不一致，学致骈测试静斑交德产生了一定误羞。参照 阕类滚骏蛉分车厅，其测试瓣应变误差在4 。0 滋函。 1 5 重庆大学硕士学位论文3 装载机z l s o c 挖掘机c l g 2 0 0 3 趣壁堡堡堡墨堡垄窒奎型亟 扶具体的测试络果，懿表3 + l 辑剜弱应变馕与现场所测试静条件，魏链魏编心 度、铸孔深度籀对照，测点编号为1 8 、2 8 、3 8 和穸的钻孔偏心在0 1 0 m m 左右，所 测试的应变值较为准确，对于5 8 、7 8 的钻孔偏，1 3 , 较大，约在o 2 0 m m ，其钻孔深度 也在3 o m m ，所测试的应变值8 l 也偏高。所以，在应用应变值计算应力德时，采 爱了装3 2 稳瘟壤号掰嚣试匏8 l 簸。对予表3 2 掰爨戆涌煮缡号1 8 、4 8 熬链孔编心 亦在o 2 0 m m ，故所测试的1 8 是g l 值不用，选嗣了表3 1 中的1 8 所测试的8 l 值进行 应力计算。表3 2 中编号为4 4 的8 1 、9 2 值不用，而采用表3 1 中的4 4 所测试的i 、 ：蕊遴嚣应力计算。 袭3 1 中编号为6 替的3 断线，表3 2 中编号为6 掌的2 、3 值因为弓i 出信号线接 触不良，测试数据超出常值。上述两种情况导致6 4 测试的应变值作废。 3 - 3 ，2 挖掘机动臀焊接应变测试结果及分析 囊甓籍僖静弱板浑接应交潦试 挖掘机动臂箱体前侧板焊接廊交测试结果如表3 3 所示。 褒3 3 挖攥麟动鹫藉体侧扳嚣接衰变测试结果 应变初始值释放应变慎 测点编号 备注 1 0 ( x )s 2 0 ( 4 5 0 )8 3 0 ( y lg l ( x ) 2 ( 4 5 。)3 ( v ) l #26，12 3 6 一1 1 3一1 6 2 #5。l 2一1 6 51 1 4 i 7 3 1- 1 l0 - 4 l o1 7 16 9 4 41 l012 3 89 13 5 凌鹫箍薄下羲叛焊接应变测试 挖掘机动臂箱体下盖板焊接殿变测试结果如表3 4 所示。 袤3 4 挖掘撬动髂麓体下盏裁簿接应变测试绩暴 成变初始值释放应变值 测点编号铸注 1 0 ( x i9 2 01 4 5 a 3 0 f y ) 1 ( x ) e 1 21 4 5 0 ) 3 y ) 5 #2119 7一1 3 02 矿0081 5 31 2 0 i1 2 6 7 7 # 6152 3 8- 4 54 8 8 8o172 9 05 03 7 劾莺赣蒋群羧应交溯试绔祭分蔹 在测试动臂箱体焊接应变过稷中，由于总结了装载机动懵组合焊接虚交测试 1 6 重庆大学硕士学使论文3 装载机z l 5 0 c 挖掘机c l g 2 0 0 3 动臂姆接残余应力应变测试 所弓| 超误差静藤疆，掇高帮稳定了钻孔技术，包括克鞭偏心较大和铺孔深液徐持 在2 卟2 3 m m 左右，所以测试的各应变值郯较为准确。仅有袭3 , 3 中的3 4 所测试 的e 值为一4 1 0 ，从所在位置分析，其值偏大，故该应变值建议作为参考值。 3 4 焊接残余应力计算 3 4 1 平嚣残余应力毒 算公式 对于焊接残余应力，采用o 。4 5 。，9 0 。应变花，测出三个不同方向的松弛应变 。t = 曼! ! 生望! 竺! ! 苎! 二! ! ! 生二堡! ! ! ! ! 1 1 4 a b c o s 2 矗 被释放粒表露应炎零l 瘊释放改变应力之凌青螺下鲮关系： 0：!生!皇!受!二刍!墨=生!女12 4 a b s 2 参 ( 3 。1 ) ( 3 2 ) = o 5 a r c t g = _ 羔，l ( 3 3 ) z 0 1 一岛一e 3 公式中a 、b 为释放系数，需要用实验方法确定。( p 角为主应力方向a l 与敏 感搬r x 皴向的夹角。嚣l 为魄，啦为g ，。 3 4 2 释放系数a 、b 的标定 拉律试俘尺寸设诗 通常在已知的应力厂中标定a 、b ，采用均匀的单向摭伸应力最为方便。拉伸 试件尺于魏霭3 5 所示。 则有 p 令一一* ! ：降一一斗一一分 十“。蠢锄斗 s 圈3 5 檬定a 、b 系数罔豹拉 串试俘尺 f i 9 3 5d r a w i n gs a m p l et od e m a r c a t ec o e f f i c i e n taa n db 辍鏖熬魉应力g ，艨交兹中应交敏感援r i 与辘是重台，l 逡辩龟= a 尹0 ，译= 0 ， a 。0 5 $ i + 2 蜘ob = o 5 ( e 1 吨2 洳 ( 3 4 ) 式中：o = p s ，p 一试件拉力，s = 试件中心截面积 8 1 与试件轴向重合的应变敏感栅r 。锚孔后的释放应变， 1 7 重庆大学联士学位论文3 装载极z l 5 0 c 挖掘搬c l g 2 0 0 ，3 动譬垮接残余应力应变测试 z 一与试件轴向重合的应交敏慧褥r 3 钻孔盾的释放应交。 标定要求 1 ) 试件材料与装栽机动储组合、挖掘机动臀箱体才材料相同，为1 6 m n 。 2 ) 藏翅应力应小于挞糕兹屡黢援限魄靛1 1 3 ，这梯捷孑l 边不产生届部嚣鼹。 3 ) 钻孔中心距试件边界应三8 d ( d 为孑l 径) 。 车) 奁司一试 孛上滋行多个链我标定a 、b 时，耜箍两我中心琵嵩应三( 5 8 ) d 。 释放系数a 、b 测量结果 对翔工后拉伸试停的尺寸铡量为： 试件宽度b = 4 8 8 0 m m ，厚度t 1 = 9 。4 0 m m ， 则试件截面积s 计算为： s = b h = 4 8 。8 0 x 9 。4 0 = 4 5 8 7 2 n 姓鞋2 ( 3 。5 ) 查阅g b l 5 9 i 一8 8 低合金刚结构力学性能得知：1 6 m n 刚的屈服极限吼：3 4 5 m p a 。 摄据释放系数a 、b 黪标定要袭，试俘聪热盛力o l 3 0 s ，敬 o - = 1 0 2 4 6 m p a 1 3 x 3 4 5 m p a , 1 所需要在拉伸试件上应加的力p 为。 p = o s = 1 0 2 。4 6 x 4 5 8 7 2 = 4 7 k n ( 3 6 ) 拉伸试件加载4 7 k n 后，应变仪所测轴向应变l o 和垂直与轴向的应变2 0 分 剐为： 8 t o = 5 0 6 7 ；e 2 0 = - 1 3 9 将受挑应力作用后的拉伸试件从材料试验机上卸下，对应变花标注空心钻孔， 链我后2 分镑蓐测试黢获缮熬辘囱盛变t 从彝垂纛与辘囊戆应嶷2 分裂为： 8 l = 3 0 3 ；2 ；一1 0 7 裂与试 争轴淘锚毳薅匏释旅应交t 霸与试季掌辍淘垂袁静释放应交2 逶过计算 的结果为： i = 1 + 一e l o = 3 0 3 5 0 6 7 = - 2 0 3 7 8 2 = 2 8 2 0 = 一1 0 7 一( 一1 3 9 ) = 3 2 由6 l 、6 2 和试验所取应力仃值带八释放系数a 、b 计算公式： a 。( i + 2 ) 2 0 = ( - 2 0 3 。7 + 3 2 ) ( 2 xi 0 2 。4 6 净一0 8 3 8( 3 7 ) b 2 ( l 一2 ) 2 a f ( 一2 0 3 7 3 2 ) ( 2 x 1 0 2 4 6 ) = - 1 1 5 0( 3 8 ) 3 4 3 残余应力计算缩栗 焊接应力计算结果 根据4 i 所推荐的平面残余应力计算公式，焊接纵向残余应力o x 即o l 计算为： 6 。2 。( a 。+ ，b c o 。s 。2 。4 ，；) - 。e 。，