工程机械结构件焊接坡口设置与焊缝断裂原因分析

工程机械工作装置结构件在工程机械作业时，承受拉、压、剪切、弯曲、扭转、交变冲击等多种形式的载荷。如果这些结构件材质和焊接存在缺陷或驾驶员操作不当，很可能引起其焊缝断裂。本文介绍结构件焊接坡口型式及存在的问题，通过坡口焊接试验分析焊缝断裂原因，并提出防止焊缝断裂的措施。

1. 焊缝断裂种类及危害

结构件焊缝断裂主要分为2种，即疲劳断裂和突然断裂。由于结构件强度的差异和焊接质量的不同，在使用中其也可能出现疲劳断裂和突然断裂的复合断裂。结构件复合断裂一般出现在使用3000h左右，均是先出现疲劳裂纹，然后出现突然断裂。若结构件在没有显著塑性变形的状况下突然断裂，不仅会导致其失去作业能力，还会带来安全隐患。

2. 结构件及焊接材料的选择

工程机械结构件材料一般选用Q345B钢，焊接材料一般选用JM58牌号焊丝，二者化学成分如表1所示。JM58牌号焊丝属于国标ER50-G规格焊丝，该种焊丝适合于单道和多道焊缝，在短路及射流的过渡段飞溅小，大电流焊接时电弧稳定。

3. 焊接坡口

（1）坡口型式及尺寸

结构件焊接坡口型式是根据GB/T985.1-2008标准，并结合实际需要进行设计的，因此结构件最终采取的焊接坡口型式与该标准是有区别的。比较有代表性的单面对接坡口有2种，本文分别叫做平对接坡口和T形对接坡口，如图1所示。

中型挖掘机结构件板厚t一般为10～20mm，其平对接焊缝多采用无钝边陡边坡口加垫板的结构，其坡口面角度β为20°，坡口根部间隙b为3～8mm，如图1a所示。此结构如果采用水平焊接，其焊接工艺性较好。

结构件T形对接坡口采用小钝边（钝边c≤3mm）、单边V形坡口无垫板结构，坡口的根部间隙b为零，如图1b所示。

（2）不同坡口存在的问题

结构件在焊接坡口方面存在的问题，主要表现在以下3个方面：

采用有钝边无间隙坡口焊接时，母材会出现焊不透现象，结构强度不能达到最佳效果，焊接结构的稳定性不足。

采用无钝边无间隙坡口不适合机器人焊接，且焊接时母材会出现焊塌问题，焊塌部位易形成焊接缺陷。

采用有钝边有间隙坡口焊接时，工装复杂、不易设计，不适合批量生产，不利于降低焊接成本。

4. 坡口焊接试验

（1）平对接坡口

焊接平对接坡口试件时，若采用小电流进行焊接，焊接后其焊接线（焊缝）熔深较小。此时对该试件进行弯曲试验，可发现焊接线处出现明显的滑移裂纹。对于这种熔深小的焊接线，即使UT探伤结果很好，在受到交变载荷的情况下也会出现断裂。图2a所示为采用小电流焊接时试件的焊接效果。从中可以看出，焊接界限基本与坡口形状相似，其向外扩展很小，焊缝熔深很小。

焊接平对接坡口试件时，若采用大电流进行焊接，焊接后其焊接线（焊缝）熔深较大。图2b所示为采用大电流焊接试件的焊接效果。从中可以看到，打底焊和后面焊接的界限有明显向外扩展，焊缝有足够的熔深。

平对接坡口试件采用不同热输入的焊接工艺参数如表2所示，平对接坡口弯曲试验合格试件的焊接参数如表3所示。

（2）T形对接坡口

制作2组试件，板厚、材质、焊接材料都一样，坡口都是单边V形坡口，只是钝边不同。将此2组试件，由同1名电焊工焊接，焊接时采用同样的焊接电流、电弧电压和焊接速度（即热输入值相同），结果却得到不同的焊缝截面，即钝边小的试件熔深较大，钝边大的试件熔深较小。

5. 焊缝断裂原因分析

（1）焊缝内存在夹杂物

结构件焊缝内若存在夹杂物，当交变应力和扭转力矩大于焊缝疲劳极限时，焊缝会出现滑移带，并首先在夹杂物与母体的交界处脱开，形成微裂纹，同时产生新的应力集中。随着交变应力和扭转次数的增加，滑移带变宽、开裂并形成裂纹。裂纹发展到一定程度，焊缝就会产生断裂。焊缝断裂处一般发生在交变应力和扭转力矩最大的部位。

（2）结构件扭转翘曲作用

非圆截面结构件发生扭转时，其表面上的横向周线将变成曲线并发生翘曲。此时其截面周边上各点处剪应力的方向与周边相切，最大剪应力τ ma x发生在长边中部（即长边中部焊缝容易出现疲劳裂纹和断裂），而截面4个顶点处的剪应力均为零，如图3所示。但是当截面是空腹结构时，在同样材质前提下，壁薄一侧焊缝更容易产生疲劳裂纹和断裂。

（3）焊接工艺存在问题

在箱形结构件截面面积足够大的条件下，若经常发生焊缝断裂现象，其主要原因是焊接质量不良。结构件焊接质量主要表现在外观质量和强度质量2个方面。外观质量通过严格要求容易控制，而强度质量必须由合理的焊接工艺来保证。在焊接工艺方面，引起焊缝断裂的原因有2点：一是坡口型式不合理，二是焊接参数不合理。二者都会造成焊缝熔深不够。

6. 防止焊缝断裂的措施

综上所述，在设计合理的条件下，结构件焊缝断裂主要是熔深不足引起的。为此应采取以下措施解决焊缝断裂问题：

一是在结构件焊接时，热输入取值需要大一些，一般在0.93～1.70kJ /mm。

二是对于平对接坡口焊缝，应采取无钝边加垫板焊接结构，且根部间隙应为3～8mm。

三是对于T形对接坡口焊缝，应采取小钝边无间隙焊接结构，钝边控制在3mm以下。

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