基于裝載機(jī)動(dòng)臂焊接失效及預(yù)防措施淺析

■ 李志芳，王新學(xué)，張寅寅

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1. 概述

面對(duì)不同工況，裝載機(jī)的工作裝置會(huì)搭配不同的機(jī)具，除了常規(guī)的鏟斗，夾鉗、側(cè)卸等變形機(jī)具也開始廣泛受到用戶的追捧。以夾木鉗為例，主要用于林場木材的搬運(yùn)，通過上、下鉗體，可以實(shí)現(xiàn)一次夾住多根木材并進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。由于林場工作環(huán)境特殊，裝載機(jī)動(dòng)臂面對(duì)諸多挑戰(zhàn)，如地面常常凹凸不平，加之裝載機(jī)作業(yè)時(shí)，夾鉗兩側(cè)重量不均，往往會(huì)造成夾鉗一側(cè)偏載；動(dòng)臂進(jìn)行裝卸作業(yè)時(shí)，需要舉升、下降和傾翻，使動(dòng)臂承受交變應(yīng)力。正是基于特殊工況，部分動(dòng)臂橫梁出現(xiàn)了焊縫開裂的情況。為此，本文從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)到生產(chǎn)過程進(jìn)行了全面的分析，并進(jìn)行工藝改進(jìn)，進(jìn)而避免問題的再次發(fā)生。

2. 動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

動(dòng)臂主要由搖臂座梁、左右動(dòng)臂板及相關(guān)鉸接裝置組成，如圖1動(dòng)臂模型所示。其中，搖臂座梁用于安裝搖臂，通過搖臂調(diào)整鏟斗或其他機(jī)具達(dá)到作業(yè)所需的角度要求；左右動(dòng)臂板主要用于連接前車架及工作機(jī)具，進(jìn)行機(jī)具的舉升和收放，同時(shí)根據(jù)不同工況要求，可對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行加長、重載等特殊配置設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)功能的多樣性。

3. 動(dòng)臂常見開裂形式及原因分析

圖1 動(dòng)臂模型

（1）動(dòng)臂常見開裂形式 通過市場質(zhì)量反饋，對(duì)動(dòng)臂常見的焊縫開裂形式進(jìn)行梳理歸類，發(fā)現(xiàn)動(dòng)臂焊縫開裂主要集中于焊縫收弧及動(dòng)臂橫梁對(duì)接處。如圖2所示，圖2a開裂位置位于耳板-座梁焊腳，此處為動(dòng)臂開裂占焊縫開裂80%以上，此類焊縫主要由焊接應(yīng)力集中所導(dǎo)致而成，且此處焊縫開裂對(duì)整機(jī)作業(yè)產(chǎn)生重要影響，成為影響動(dòng)臂焊接質(zhì)量的重要因素。圖2b為動(dòng)臂橫梁平對(duì)接焊縫開裂，此類焊縫通常與圖2a同時(shí)發(fā)生，且容易造成整條對(duì)接焊縫的開裂，直至動(dòng)臂橫梁-動(dòng)臂板環(huán)縫處止裂。此類焊縫開裂發(fā)生概率較小，但屬于動(dòng)臂焊接嚴(yán)重質(zhì)量缺陷。

（2）動(dòng)臂焊接開裂原因分析 動(dòng)臂結(jié)構(gòu)形式對(duì)焊縫質(zhì)量的影響：為有效了解動(dòng)臂不同部位的載荷情況，以某動(dòng)臂為例，按照其設(shè)計(jì)噸位，模擬滿負(fù)荷加載，獲得仿真結(jié)果如圖3所示。從仿真受力圖可以看出：動(dòng)臂在受載狀態(tài)下，其主要受力集中于橫梁與動(dòng)臂板連接處、耳板端部等位置。分析其原因主要是由于動(dòng)臂耳板端部的結(jié)構(gòu)突變較大，動(dòng)臂耳板端部封口焊后，焊縫不能與動(dòng)臂耳板實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過度，致使應(yīng)力集中較大。加之動(dòng)臂在受載過程中，由于存在偏載受力，導(dǎo)致焊縫開裂的可能性增大。因此應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)載荷受力集中部位的焊縫處理，避免焊腳處的應(yīng)力集中。

圖2 動(dòng)臂常見開裂形式

焊接工藝對(duì)焊縫質(zhì)量的影響：目前，動(dòng)臂橫梁彎板采用對(duì)接焊的方式，其坡口角度為53°，坡口深度20mm，鈍邊4mm，間隙2mm，如圖4所示。在焊接時(shí)，焊槍應(yīng)保持20mm伸長量，此時(shí)焊絲幾乎無法指向坡口根部。通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，目前動(dòng)臂橫梁焊接時(shí)焊絲干伸長保持23mm左右，焊接電流相對(duì)較小，熔焊深度無法滿足預(yù)期目的。另外，從動(dòng)臂的工藝流程上分析，動(dòng)臂平對(duì)接焊縫的組隊(duì)流程為：下料→坡口→折彎→組合，由于坡口和折彎工序均存在誤差，所以實(shí)際生產(chǎn)過程中焊縫深度和拼點(diǎn)間隙均會(huì)存在變化。如果拼點(diǎn)誤差導(dǎo)致拼點(diǎn)間隙＜2mm，加之焊絲干伸長較長（≈23mm），那么焊縫根部便無法焊透，應(yīng)力較大時(shí)根部間隙便會(huì)萌生裂紋源，進(jìn)而出現(xiàn)焊縫開裂現(xiàn)象。

4. 動(dòng)臂焊接失效預(yù)防措施

為有效避免上述焊接缺陷的發(fā)生，從結(jié)構(gòu)形式和焊接工藝兩個(gè)方面入手，進(jìn)行工藝改善。對(duì)于動(dòng)臂耳板端部焊縫存在應(yīng)力集中問題，改變以往采用焊接機(jī)器人統(tǒng)一對(duì)動(dòng)臂耳板進(jìn)行焊接的方式。如圖4所示，對(duì)耳板端部采用CO2氣體保護(hù)雙絲雙層焊接的方式，采用多層進(jìn)行端部封口，保證動(dòng)臂耳板端部焊接過渡盡量平滑。其中焊接參數(shù)如附表所示。

圖3 動(dòng)臂橫梁受力仿真分析

圖4 動(dòng)臂制造常見焊接問題

焊接參數(shù)表

圖5 動(dòng)臂焊接打磨位置示意

同時(shí)，在完成焊接后，對(duì)耳板端部等部位采用焊后精細(xì)化打磨的方式，用以釋放焊接應(yīng)力，避免焊縫端部的應(yīng)力集中現(xiàn)象（見圖5）。對(duì)于動(dòng)臂橫梁現(xiàn)有對(duì)接形式，采用增大坡口的形式，將原坡口53°增加至65°以上，減少坡口鈍邊至2mm，同時(shí)在對(duì)接處增加工藝墊板，采用墊片兩側(cè)斷續(xù)焊，在有效釋放部分焊接應(yīng)力的同時(shí)，保證了焊接強(qiáng)度要求。

5. 結(jié)語

動(dòng)臂作為裝載機(jī)主要工作裝置之一，其焊接質(zhì)量的好壞是直接評(píng)價(jià)裝載機(jī)優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。面對(duì)動(dòng)臂的常規(guī)失效模式，通過市場質(zhì)量信息反饋及CAE仿真分析，尋找焊接失效影響因子，確定重點(diǎn)改善方向?；诂F(xiàn)有的焊接工藝，采用增加工藝墊板，以提升焊接質(zhì)量；采用焊后精細(xì)化打磨，實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂焊縫處理的平穩(wěn)過渡。

上述兩種預(yù)防措施，有效避免焊接應(yīng)力集中，減少了潛在失效風(fēng)險(xiǎn)，使動(dòng)臂的焊接質(zhì)量得到顯著提高，其焊縫開裂現(xiàn)象基本消除。