導 語
動臂是工程機械上工作裝置部分重要的結構件，該零件的可靠性直接影響整臺機械的壽命和質量，也是衡量工程機械制造企業(yè)設計與制造能力的標桿。某型號液壓挖掘機上的動臂在使用4100h后發(fā)生動臂開裂事故，開裂位置為該結構件的中部上方與油缸連接的耳板處，斷裂動臂外觀如圖1所示。該動臂為焊接結構件，主要由二氧化碳氣體保護焊工藝將結構鋼 Q235B材料焊接而成。
研究人員采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡(SEM)分析、力學性能測試、金相檢驗、有限元分析等方法對動臂開裂原因進行分析，以防止該類問題再次發(fā)生。
1、理化檢驗
1.1宏觀觀察
焊接結構件的體積、質量均較大，故對故障件開裂斷口進行保護,再對其進行火焰分割。對照圖紙對故障件進行斷口復原拼接，并檢查了開裂位置，檢查發(fā)現(xiàn)共有3處焊縫裂紋。1號裂紋位于內部隔板與上板的角焊縫處；2號裂紋位于耳板與上蓋板的角焊縫處(左右側均發(fā)生開裂)；3號裂紋位于側板與上蓋板的角焊縫處(左右側均發(fā)生開裂)。從變形量方面進行檢查分析，可見1號裂紋無變形拼接且相對完整，2，3號裂紋左右側對稱，但左側塑性變形比右側明顯。當零件有多處斷裂時，有的部位沒有塑性變形，有的部位有塑性變形，則無塑性變形區(qū)域為首先斷裂區(qū)。故判斷1號裂紋首先出現(xiàn)，2，3號裂紋為后期的擴展裂紋，同時右側裂紋比左側裂紋出現(xiàn)時間早，最終這些裂紋匯集到母材并發(fā)生了快速擴展，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。
3個裂紋處斷口宏觀形貌如圖3所示，由圖3可知：1號裂紋斷口表面已經(jīng)氧化銹蝕，磨損導致斷口平滑，但隱約可見疲勞條紋和脆性斷裂的痕跡；2號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展區(qū)。
1.2掃描電鏡分析
使用掃描電鏡對1號裂紋的裂紋源區(qū)進行觀察，結果如圖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階或脊棱，擴展區(qū)有明顯的疲勞條紋和疲勞擦傷痕跡。
1.3化學成分分析
對開裂動臂原材料進行取樣，將試樣置于直讀光譜儀下觀察，結果如表1所示。由表1可知：開裂動臂原材料的化學成分符合GB/T 700—2006 《碳素結構鋼》對Q235B鋼的技術要求。
1.4力學性能測試
從開裂的動臂原材料上取樣，對試樣進行拉伸試驗，結果如表2所示。由表2可知：原材料的各項拉伸性能均符合GB/T 700—2006對Q235B鋼的技術要求。
1.5金相檢驗
分別在主裂紋(1號裂紋)的裂紋源區(qū)截面處截取試樣，再利用體積分數(shù)為4%的硝酸乙醇溶液對其進行腐蝕。將試樣置于光學顯微鏡下觀察，結果如圖5所示。由圖5可知：開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4mm，長度約為15mm。未熔合缺陷位于焊接母材的坡口邊。
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力集中，該區(qū)域容易產(chǎn)生裂紋源。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，整體焊接組織未見異常。
2、有限元模擬
對動臂斷裂部位內部焊縫進行有限元分析，應力分布如圖6所示，模擬結果與1號裂紋部位的應力分析結果相符。當動臂耳板受力時，該位置角焊縫底部應力最大，在循環(huán)附加載荷的作用下，這個位置最先出現(xiàn)疲勞裂紋，如果角焊縫存在尖角或缺陷，就會縮短疲勞壽命。
3、焊縫應力測試
通過了解，發(fā)現(xiàn)客戶使用的是自行改造的超標準大鏟斗，在使用大鏟斗的情況下，對同批次生產(chǎn)的動臂表面焊縫(2號裂紋)位置進行應力測試。動臂外部焊縫應力測試點位置如圖7所示，測試方法參照GB/T 33941.1—2017 《土方機械結構件應力測試方法 第1部分：通則》。用動態(tài)測試方法采集挖掘機復合動作狀態(tài)下角焊縫腳趾兩側的應力數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)使用大鏟斗時負載增加，焊縫的腳趾位置應力增大(見圖8)，故推斷在循環(huán)附加載荷的作用下焊縫處具有開裂風險，且開裂起點位于焊縫腳趾端表面，同故障件2號裂紋開裂起點位置一致。
4、綜合分析
原材料化學成分、力學性能、焊縫外觀尺寸的分析結果均符合相關技術要求。排除原材料本身的問題，由于首先開裂的裂紋在動臂的內部角焊縫上，該焊接位置深，同時35°的坡口較小，焊接人員使用焊槍時的角度擺動空間較小,焊槍位置不準確。在焊
接過程中，焊工觀察位置、焊槍角度的變化在電弧擺動中心和坡口焊縫中心不重合，使電弧在坡口的一側燃燒不到位，焊絲熔化后的鐵水快速降溫后覆蓋在坡口上，產(chǎn)生單側未熔合或未焊透的缺陷。
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)晶核依附在這個表面，并以柱狀晶的形態(tài)不斷長大的。柱狀晶交界面處雜質較多，力學性能相對較差。在疲勞載荷作用下，未焊透缺陷會沿著尖端向外擴展。
另外，客戶使用了非標準大鏟斗，使結構件焊縫承受的工作應力突然增加，縮短了裂紋的生成周期，裂紋擴展速率隨著工作應力的增加而明顯加快。當持續(xù)承受交變載荷、沖擊載荷時，結構件的抗疲勞性能明顯降低，導致裂紋快速疲勞擴展，直到最終發(fā)生脆性斷裂和韌性撕裂。
5、結論及建議
動臂焊縫開裂的主要原因是：內部角焊縫底部存在未熔合缺陷，形成了尖角應力集中；同時客戶使用機器時自行改造了大鏟斗，當挖掘負載增加時，焊縫應力隨之增加。在大載荷循環(huán)應力的作用下，內部和表面焊縫處出現(xiàn)裂紋源，最終導致動臂上多條焊縫發(fā)生快速疲勞開裂。
建議在改善內部焊縫焊接質量時，調整坡口角度，讓焊接熔合更加充分，減小尖角應力集中的風險。同時建議客戶使用標準型鏟斗，以小量多次的方式實施挖掘作業(yè)。
作者：吳信
單位：日立建機(中國)有限公司
來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第2期
