■ 李志芳，王新學(xué)，張寅寅

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1. 概述

面對不同工況，裝載機(jī)的工作裝置會搭配不同的機(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)動臂面對諸多挑戰(zhàn)，如地面常常凹凸不平，加之裝載機(jī)作業(yè)時，夾鉗兩側(cè)重量不均，往往會造成夾鉗一側(cè)偏載；動臂進(jìn)行裝卸作業(yè)時，需要舉升、下降和傾翻，使動臂承受交變應(yīng)力。正是基于特殊工況，部分動臂橫梁出現(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. 動臂的結(jié)構(gòu)及特點

動臂主要由搖臂座梁、左右動臂板及相關(guān)鉸接裝置組成，如圖1動臂模型所示。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，同時根據(jù)不同工況要求，可對動臂進(jìn)行加長、重載等特殊配置設(shè)計，實現(xiàn)作業(yè)功能的多樣性。

3. 動臂常見開裂形式及原因分析

圖1 動臂模型

（1）動臂常見開裂形式 通過市場質(zhì)量反饋，對動臂常見的焊縫開裂形式進(jìn)行梳理歸類，發(fā)現(xiàn)動臂焊縫開裂主要集中于焊縫收弧及動臂橫梁對接處。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，且此處焊縫開裂對整機(jī)作業(yè)產(chǎn)生重要影響，成為影響動臂焊接質(zhì)量的重要因素。圖2b為動臂橫梁平對接焊縫開裂，此類焊縫通常與圖2a同時發(fā)生，且容易造成整條對接焊縫的開裂，直至動臂橫梁-動臂板環(huán)縫處止裂。此類焊縫開裂發(fā)生概率較小，但屬于動臂焊接嚴(yán)重質(zhì)量缺陷。

（2）動臂焊接開裂原因分析 動臂結(jié)構(gòu)形式對焊縫質(zhì)量的影響：為有效了解動臂不同部位的載荷情況，以某動臂為例，按照其設(shè)計噸位，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：動臂在受載狀態(tài)下，其主要受力集中于橫梁與動臂板連接處、耳板端部等位置。分析其原因主要是由于動臂耳板端部的結(jié)構(gòu)突變較大，動臂耳板端部封口焊后，焊縫不能與動臂耳板實現(xiàn)平穩(wěn)過度，致使應(yīng)力集中較大。加之動臂在受載過程中，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)重點加強(qiáng)對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 動臂常見開裂形式

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

4. 動臂焊接失效預(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方面入手，進(jìn)行工藝改善。對于動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)一對動臂耳板進(jìn)行焊接的方式。如圖4所示，對耳板端部采用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 動臂橫梁受力仿真分析

圖4 動臂制造常見焊接問題

焊接參數(shù)表

圖5 動臂焊接打磨位置示意

同時，在完成焊接后，對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）。對于動臂橫梁現(xiàn)有對接形式，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，同時在對接處增加工藝墊板，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，保證了焊接強(qiáng)度要求。

5. 結(jié)語

動臂作為裝載機(jī)主要工作裝置之一，其焊接質(zhì)量的好壞是直接評價裝載機(jī)優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。面對動臂的常規(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，實現(xiàn)動臂焊縫處理的平穩(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，使動臂的焊接質(zhì)量得到顯著提高，其焊縫開裂現(xiàn)象基本消除。