工程机械常见焊接开裂与修复技术

1、工程机械常见焊接件开裂与修复技术焊接件是各类工程机械设备结构中的重要组成部分。在施工作业过程中，焊接件开裂是设备常见故障之一。焊接开裂时，会影响设备正常运行，甚至造成无 法作业，导致停工。对工程机械常见焊接件开裂与修复技术的研究，是设计、工 艺与维修人员密切关注的课题。随着工程机械焊接结构趋向于高参数、大型化、耐磨、重载、轻量化的方 向发展，焊接构件制造也不断应用新材料、新工艺、新技术。焊接构件不仅要满 足产品设计性能、参数要求，还要求焊接接头具备更高的可靠性， 同样对焊接件 开裂预防与修复技术也要求更加严格。1焊接开裂的基本原因企业在产品结构件设计、加工、检验等过程建立了有效的质量控制体系，

2、力 求提高焊接接头性能，达到预防、消除焊接缺欠，保证焊缝可靠性的目标。但是, 焊接由于其自身的特点而被视为“特殊过程”。这是因为焊接作为一种热加工技 术，其随后的检验根本无法充分验证其加工结果，不能完全控制与了解焊接接头性能是否达到了预期的要求。事实上， 所有的焊接产品都是带着这种未知的 “问 号”进入用户的手中运行和使用。在设备作业运行中，当构件受到冲击、拉压、 扭转、弯曲载荷与过载、震动、环境温度变化等复杂工况时，避免不了形成裂纹， 裂纹逐渐扩展导致焊接开裂直至构件断开失效。所以这种“特殊过程”的缘故， 造成焊接接头性能的不稳定性，导致接头强度下降，是焊接开裂的基本原因。 2焊接件类别与焊

3、接开裂分析工程机械产品品种繁多、焊接件几何形状复杂，尺寸、重量相差悬殊，工序 长短和复杂程度也各不相同。大都是采用焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊等焊接工艺方法。对工程机械产品焊接件分类并进行开裂分析： 2.1按焊接件结构特点，见表一。表一：类另U部件举例结构特征构成特征与 焊接性焊接开裂 状况薄板 焊接件发动机挡板、燃油箱、 驾驶室等。板厚w 4mm的板 材、型材、加工件、 螺栓、螺母类紧固 件等组焊而成。材料品种少， 强度中等，焊 接性良好少铸（锻）板 焊接件推土机机架-后桥箱焊 接、铲刀、拱形架、松 土架；装载机前、后车 架、动臂、铲斗；推土 机、挖掘机仃走架；挖 掘机、装载机动臂等。板厚

4、6mm的板 材、型材、铸、锻 件等组焊而成。材料种类多， 强度、刚度级 别较咼，焊接 性复杂常见焊接管路液压硬管由管材、法兰、接 头等加工件组焊而 成。材料品种少， 强度中等，焊 接性良好较少2.2按焊接件功能，见表二。 表二类另U部件举例结构特征构成特征 与焊接性焊接开裂 状况主体 车架推土机机架-后桥 箱焊接；装载机 前、后车架；挖掘 机车架。由中、厚板、型材、 铸锻件等组焊而材料品种少， 强度、刚度中 等，焊接性良好较少行走 台架推土机、挖掘机行 走架工作 装置拱形架、铲刀、铲 斗、松土器、动臂 等。铸、锻丨丨等组焊丨II成材料种类多， 强度级别较高， 焊接性复杂常见防 护 件推土机前保

5、护板、 防翻保护架等。材料品种少， 强度中等，焊接 性良好少操作 杆件制动、液压控制操 纵杆件。由板材、型材、铸、 锻件等组焊而成材料品种少， 强度中等，焊接 性良好少覆 盖 件由薄板、型材、铸、 锻件等组焊而成发动机挡板。材料品种少， 强度中等，焊接 性良好少连接 座架各类连接、支撑座架等由中、厚板、型材、 等组焊而成材料品种少， 强度中等，焊接 性良好少驾 驶 室驾驶室、司机棚由板材、型材等组 焊而成材料品种少， 强度中等，焊接 性良好较少液压 部件液压控制箱、油 缸、液压硬管、油 箱由板材、型材、铸、 锻件等组焊而成材料品种少， 强度中等，焊接 性良好少2.3按钢材强度级别，见表二。 表

6、三钢材强度级别 抗拉强度d b/MPa部件类别部件举例常用钢 材牌号焊接开裂 状况 500 w 600主体车架、行走 台架、液压部件推土机机架-后 桥箱焊接；装载 机前、后车架； 推土机、挖掘机 行走架。Q235 Q345较少600w 1100工作装置推土机铲刀、松 土架；装载机、 挖掘机铲斗、动 臂等。Q345、45、HQ70 1E860、65Mn HQ100常见通过以上对焊接件分类与焊接开裂的分析可以看出， 焊接件开裂主要集中在 工作装置类构件。这是因为此类焊接件不仅结构复杂、承受大的工作载荷， 抗变 形能力差，而且采用的钢材品种多、强度级别高，焊接施工难度大。是常见易开 裂的焊接件。3

7、焊接件常见裂纹与开裂的特点3.1 氢致裂纹这是一种最常见的冷裂纹。 它往往不是焊后立即出现，而有一段孕育期，延 迟一段时间才产生，亦称延迟裂纹。 这种延迟现象主要由氢引起， 因此又称氢致 延迟裂纹，或简称氢致裂纹、氢裂纹。氢致裂纹开裂部位： 对于强度不很高的碳钢与合金结构钢焊接接头， 往往先 在热影响区粗晶区开裂，扩展到其他区域； 强度很高时往往先在焊缝区开裂， 扩 展到热影响区。按开裂位置可分为：焊缝金属裂纹、热影响区裂纹； 按相对焊缝的启裂和扩展位置，热影响区氢致裂纹通常有三种形态和部位： 焊趾裂纹 一般起源于焊缝趾部（焊缝表面与热影响区交界处）具有明 显应力集中的地方，再向热影响区和母材

8、延伸。 焊根裂纹 这是最常见的氢致延迟裂纹，起源于第一层焊道根部与热影 响区相交处应力集中最大的部位， 然后向热影响区和焊缝延伸。 究竟向何处延伸， 取决于母材和焊缝的强度，塑性、和根部的形状。 焊道下裂纹 发生于焊道下方离熔合线不远的粗晶区内，其走向大体于 熔合线平行。是一种微小裂纹， 往往不能在焊件表面发现， 它不是一条连续裂纹， 而是由一条条小的显微裂纹集合而成。这种裂纹往往在使用含氢量较高的焊条、 小线能量电弧焊接高强钢时发现。引起氢致开裂的原因： 硬化组织、应力、和扩散氢， 其中扩散氢为主导因素。3.2 淬硬裂纹由淬硬组织引起。 某些钢种淬硬倾向很大，焊后冷却过程中，由于相变产生 很

9、脆的马氏体，在焊接应力的作用下引起开裂。 这种开裂与氢的关系不大， 没有 氢的作用也会开裂。例如：弹簧钢、 Mn13 耐磨钢、某些高强钢以及异种钢焊接 时，都可能出现这种裂纹。 它的产生既然不取决于氢的存在， 也就没有裂缝延迟 出现的特征，在焊后可以立即发现。3.3 焊缝表面缺陷引起的裂纹由于施工操作不当造成的焊接缺陷， 也是产生焊接裂纹的重要因素。 主要有： 焊缝表面形状不符合技术要求。如余高过大、咬边、弧坑、熔合不良等缺陷。焊缝表面缺陷一般具有明显应力集中、形成裂纹源，或焊缝截面尺寸减小， 承载强度降低，造成焊接开裂。3.4 疲劳裂纹疲劳是由于在重复载荷的作用下， 导致焊接接头或材料产生裂

10、纹，开裂、扩 展、失效的一个过程。 工作应力往往远远低于材料的屈服强度。 钢材的强度越高， 缺口效应引起的应力集中程度对钢材疲劳强度的敏感性就越大。3.5 施工不当，焊缝存在熔合不良、未焊透、咬边等缺陷，造成焊缝金属有效厚 度不足，承载强度降低，形成裂纹。4 焊接开裂修复焊接开裂修复是工程机械施工过程中设备维修常见的手段， 由于受施工现场 加工设备、材料、工具、工人技能水平等条件的限制。一定程度上会给正确、有 效的焊接修复带来影响。因此，了解与掌握合理、可行的焊接修复技术，很有必 要。4.1实物焊接开裂分析实物焊接开裂分析是根据开裂的形态、 位置分析导致焊接开裂的原因。目的 是为了正确制定焊接

11、修复方案和焊接修复工艺方法提供依据， 防止焊接开裂再次 产生，力求修复后焊接件满足设备正常作业， 保障施工。实物焊接开裂分析主要 从以下几方面进行。4.1.1开裂状态分析：观察开裂出现在焊接件的位置与形态。开裂的位置是在焊缝上还是在母材 上，测量开裂长度尺寸、扩展方向、断口特征；开裂部位的焊接件变形状况，分 析焊接件开裂与工作载荷的关联因素。初步确定焊接开裂是由焊接缺陷引起还是 设备作业过载引起。4.1.2化学成分分析：化学成分分析是判定母材焊接工艺性（可焊性）、进行焊接工艺评定与制定 焊接修复工艺的重要依据。通过母材的化学成分计算碳当量判定母材的可焊性。 工程机械焊接件常用钢材碳当量与可焊性

12、参见表四。表四：部件举例钢材牌号屈服强度d s/MPa丁屮、/曰. 碳当量Ceq可焊性推土机机架装载机前、后车架 推土机、挖掘机行 走架Q235185-2350.34良好装载机动臂臂板、 装载机铲斗斗壁、 装载机动臂横梁。 挖掘机大、小动臂、 挖掘机铲斗斗壁。 推土机松土架、 推土机铲刀加强板 推土机拱形架Q345 (16Mn275-3450.49良各类铰接座ZG270-500270 丁0.55尚可推土机铲刀弧形板HQ1008800.839差装载机销轴45Mn27350.805差装载机铲斗切削板65Mn7850.98差有条件时对缺陷部位的母材用手电钻打孔，取铁屑样进行母材的C Si、Mn P、

13、S Cr、Mo Ni、V、Cu等化学成分进行检验，确定母材的化学成分含量、 再查阅相关金属材料手册等技术资料判定母材牌号、强度级别，通过计算母材的 碳当量判定母材可焊性。4.1.3焊接件结构特征分析焊接件用钢板厚度尺寸较大时，刚性较强，因而焊缝拘束度较大。焊缝在冷 却过程中的收缩变形大量存在于焊缝金属中， 容易产生较大应力，引起焊缝裂纹， 因此在焊接修复时要采取相应对策。4.2焊接修复方案与修复工艺制定4.2.1焊接修复方案制定主要是根据焊接件开裂的程度、焊缝形式及维修场地具 备的焊接设备、焊接材料、焊工等条件制定可行的修复施工方法。422修复工艺制定内容 焊接方法：焊接修复一般选择焊条电弧焊

14、或气体保护焊。包括采用焊接 材料、焊接设备、预热等内容。焊接材料的选择。焊接方法首先是焊材的选择，焊材选择原则是依据母材的 强度要求来确定。工程机械重要焊接件较多采用屈服强度为275-345 Mpa的钢材如Q345( 16M)般采用等强匹配原则。随着工程机械焊接结构趋向于高参 数、大型化、耐磨、重载、轻量化的方向发展，采用了低合金调质高强钢。在此 类钢材强度级别较高时，焊材选择以保证焊接接头的塑韧性的原则可采用低强匹 配。焊接设备选择。焊接设备选择根据选择的焊材种类、修复场所具备的条件确 定选用交、直流弧焊电源。预热。预热主要根据母材的焊接性较差、板材厚度尺寸大、低温环境施工等 来确定。以保证

15、焊接接头性能，提高焊接接头抗裂性。当母材的碳当量0.45、板材厚度尺寸80mm环境温度w 5C进行预热。 一般焊材选择参见表五。表五钢材类别钢材牌号 举例丁屮、/曰. 碳当量Ceq/%可焊性焊材焊条焊丝碳素结构钢Q2350.34良好J422低合金结构钢Q345 (16Mr)0.49良J502ER50-6合金结构钢ZG270-500P 0.55尚可J502ER50-6低合金调质高强钢HQ700.839尚可J506YJ707优质碳素结构钢45Mn20.805差A307低合金高强耐磨钢HQ1000.839差J857YJ707焊缝坡口形式设计坡口制备是保证焊缝良好熔合与熔透性的关键工序，根据开裂部位确

16、定焊缝坡口形式是修复工艺的重要内容。坡口形式根据焊缝形式与板厚尺寸确定。一般板厚w 4mm对接焊缝可不制备坡口，在板厚5mm为保证焊缝熔透性， 要制备坡口，由于焊接修复施工容易受到坡口加工、焊接位置等条件的限制，-般采用单面焊。较多采用单面 V形坡口或V形坡口形式。焊接工艺规范制定焊接修复工艺规范内容主要有焊材牌号、焊材规格、焊接电流、电弧电压 保护气体种类流量、焊接速度、预热温度等。选择工艺规范时要考虑焊接接头的性能。 尤其是碳当量较高的母材焊接接头 热影响区对焊接规范要求严格。焊接修复前，应进行工艺评定或工艺试验确定合 理的工艺参数。4.3焊接修复施工及要求4.3.1工件清理焊接修复前，将

17、焊接件开裂部位周围粘附的泥土、油污、水、锈蚀、油漆等 污物彻底清理干净，露出金属光泽。4.3.2 矫形焊接件往往在开裂部位通常产生不同程度的变形， 在焊接修复前对变形部位 进行矫正，焊接变形矫正采用加热矫正、机械施力矫正及两种方法结合运用。采用火焰加热矫正方法，加热温度在 600 800C，同一加热位置加热次数不应 超过两次。焊件热状态矫正，一般不得在蓝脆温度(250 500 C)进行，冷状态 矫正不得在环境温度低于-12C进行。4.3.3 焊前准备 检查焊条、焊丝牌号、规格与焊接用气体、电焊机型号是否符合工艺要求。焊条按要求进行烘干与保温，一般酸性焊条根据受潮情况在75 150C烘干1 2

18、小时；低氢型焊条烘干温度在 350 380C，保温时间1.5 2小时，烘干后应缓 冷放置于110 120C的保温箱中存放、待用。实心焊丝应无油污、锈蚀、镀铜 层应完好无损。操作者对焊接机械设备、工具、吊具、防护用品及工位场地进行 自检，确认符合安全操作规程。4.3.4 缺陷清除与坡口制备焊接件缺陷为裂纹时，根据检测确定的缺陷位置、长度尺寸、深度尺寸， 用火焰切割方法、凿除、砂轮打磨等方法清除缺陷。清除裂纹前应在裂纹两端打止裂孔并清除裂纹及其裂纹两端30 50mm 长度的焊缝或母材。应将刨槽加工成四侧边斜面角大于15的坡口或按工艺要求制备坡口。焊接件缺陷为裂断或断开时，分别对断口进行清理、进行坡口加工。 采用氧乙炔火焰切割后， 必须将坡口面切割熔渣与氧化物用砂轮打磨清理 干净，露出金属光泽。4.3.5 装配焊接坡口装配间隙应符合工艺的规定，一般对接坡口间隙为13mm角焊缝坡口装配间隙为02mm定位焊缝的长度为焊接接头中较薄板厚度的 4-5 倍，间距不得超过 300mm， 定位焊缝的高度不得超过正式焊缝的 2/3，最大不超过6mm定位焊应布置在焊 缝交叉口的50mm以外，定位焊缝