基于装载机动臂焊接失效及预防措施浅析

2018-10-26李志芳王新学张寅寅

金属加工(热加工) 2018年10期

■ 李志芳，王新学，张寅寅

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1. 概述

面对不同工况，装载机的工作装置会搭配不同的机具，除了常规的铲斗，夹钳、侧卸等变形机具也开始广泛受到用户的追捧。以夹木钳为例，主要用于林场木材的搬运，通过上、下钳体，可以实现一次夹住多根木材并进行转运。由于林场工作环境特殊，装载机动臂面对诸多挑战，如地面常常凹凸不平，加之装载机作业时，夹钳两侧重量不均，往往会造成夹钳一侧偏载；动臂进行装卸作业时，需要举升、下降和倾翻，使动臂承受交变应力。正是基于特殊工况，部分动臂横梁出现了焊缝开裂的情况。为此，本文从产品结构到生产过程进行了全面的分析，并进行工艺改进，进而避免问题的再次发生。

2. 动臂的结构及特点

动臂主要由摇臂座梁、左右动臂板及相关铰接装置组成，如图1动臂模型所示。其中，摇臂座梁用于安装摇臂，通过摇臂调整铲斗或其他机具达到作业所需的角度要求；左右动臂板主要用于连接前车架及工作机具，进行机具的举升和收放，同时根据不同工况要求，可对动臂进行加长、重载等特殊配置设计，实现作业功能的多样性。

3. 动臂常见开裂形式及原因分析

图1 动臂模型

（1）动臂常见开裂形式通过市场质量反馈，对动臂常见的焊缝开裂形式进行梳理归类，发现动臂焊缝开裂主要集中于焊缝收弧及动臂横梁对接处。如图2所示，图2a开裂位置位于耳板-座梁焊脚，此处为动臂开裂占焊缝开裂80%以上，此类焊缝主要由焊接应力集中所导致而成，且此处焊缝开裂对整机作业产生重要影响，成为影响动臂焊接质量的重要因素。图2b为动臂横梁平对接焊缝开裂，此类焊缝通常与图2a同时发生，且容易造成整条对接焊缝的开裂，直至动臂横梁-动臂板环缝处止裂。此类焊缝开裂发生概率较小，但属于动臂焊接严重质量缺陷。

（2）动臂焊接开裂原因分析动臂结构形式对焊缝质量的影响：为有效了解动臂不同部位的载荷情况，以某动臂为例，按照其设计吨位，模拟满负荷加载，获得仿真结果如图3所示。从仿真受力图可以看出：动臂在受载状态下，其主要受力集中于横梁与动臂板连接处、耳板端部等位置。分析其原因主要是由于动臂耳板端部的结构突变较大，动臂耳板端部封口焊后，焊缝不能与动臂耳板实现平稳过度，致使应力集中较大。加之动臂在受载过程中，由于存在偏载受力，导致焊缝开裂的可能性增大。因此应重点加强对载荷受力集中部位的焊缝处理，避免焊脚处的应力集中。

图2 动臂常见开裂形式

焊接工艺对焊缝质量的影响：目前，动臂横梁弯板采用对接焊的方式，其坡口角度为53°，坡口深度20mm，钝边4mm，间隙2mm，如图4所示。在焊接时，焊枪应保持20mm伸长量，此时焊丝几乎无法指向坡口根部。通过现场试验发现，目前动臂横梁焊接时焊丝干伸长保持23mm左右，焊接电流相对较小，熔焊深度无法满足预期目的。另外，从动臂的工艺流程上分析，动臂平对接焊缝的组队流程为：下料→坡口→折弯→组合，由于坡口和折弯工序均存在误差，所以实际生产过程中焊缝深度和拼点间隙均会存在变化。如果拼点误差导致拼点间隙＜2mm，加之焊丝干伸长较长（≈23mm），那么焊缝根部便无法焊透，应力较大时根部间隙便会萌生裂纹源，进而出现焊缝开裂现象。

4. 动臂焊接失效预防措施

为有效避免上述焊接缺陷的发生，从结构形式和焊接工艺两个方面入手，进行工艺改善。对于动臂耳板端部焊缝存在应力集中问题，改变以往采用焊接机器人统一对动臂耳板进行焊接的方式。如图4所示，对耳板端部采用CO2气体保护双丝双层焊接的方式，采用多层进行端部封口，保证动臂耳板端部焊接过渡尽量平滑。其中焊接参数如附表所示。

图3 动臂横梁受力仿真分析

图4 动臂制造常见焊接问题

焊接参数表

图5 动臂焊接打磨位置示意

同时，在完成焊接后，对耳板端部等部位采用焊后精细化打磨的方式，用以释放焊接应力，避免焊缝端部的应力集中现象（见图5）。对于动臂横梁现有对接形式，采用增大坡口的形式，将原坡口53°增加至65°以上，减少坡口钝边至2mm，同时在对接处增加工艺垫板，采用垫片两侧断续焊，在有效释放部分焊接应力的同时，保证了焊接强度要求。