起重機(jī)軌道截面多為工字形，軌道頂部為凸?fàn)睿撞颗溆幸欢▽挾鹊钠桨逡栽黾优c基礎(chǔ)的接觸面，具有良好的抗彎強(qiáng)度。起重機(jī)軌道通常采用C、Mn含量較高的U71Mn鋼軋制而成。考慮到起重機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，通常需要焊接。然而，起重機(jī)軌道在焊接時(shí)接頭內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，在使用過程中容易產(chǎn)生疲勞裂紋。

本文對(duì)起重機(jī)軌道進(jìn)行堆焊及對(duì)接試驗(yàn)，用小孔法測(cè)殘余應(yīng)力分布情況，并分析其產(chǎn)生原因，最后，提出消除焊接殘余應(yīng)力的方法。

試驗(yàn)材料介紹

本次試驗(yàn)采用150mm長110kg級(jí)軌道鋼作為母材分別進(jìn)行對(duì)接、堆焊試驗(yàn)。對(duì)對(duì)接接頭、堆焊分別采用焊條電弧焊、CO₂氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接。選用直徑分別為4mm、5mm的大西洋焊材CHE50和直徑為4mm的J857作為110kg軌道鋼對(duì)接接頭的填充材料，選用直徑為1.4mm的京雷焊材GFL-71作為110kg軌道鋼堆焊的填充材料，選用濃度為99.99%的CO₂作為保護(hù)氣體。

使用儀器介紹

本次試驗(yàn)殘余應(yīng)力檢測(cè)儀采用聚航科技的JH-30殘余應(yīng)力檢測(cè)儀和JHZK殘余應(yīng)力鉆孔裝置，該儀器操作簡單，可直接讀出結(jié)果。

殘余應(yīng)力檢測(cè)步驟

在測(cè)量之前，打開應(yīng)變儀，連接好導(dǎo)線，電烙鐵要預(yù)先加熱，要準(zhǔn)備好各種工具。

具體測(cè)量步驟如下：

1. 對(duì)試板表面進(jìn)行處理，用砂輪去除焊縫余高，再用鐵刷或砂布去除試板表面的氧化皮和銹跡，然后用100目左右的砂布交叉打磨，達(dá)到Ra值3.2-6.4，用丙酮擦拭試板，初步去除試板表面的油污。根據(jù)試驗(yàn)方案，用劃針輕輕劃出應(yīng)變片粘貼位置。用棉花球或砂布蘸取丙酮多次擦洗，直至棉花球或砂布無污漬為止，徹底消除試板表面殘留鐵屑。表面處理是殘余應(yīng)力測(cè)試過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，根據(jù)粘貼應(yīng)變片的要求，必須保證試板粘貼表面無油污，清洗過的試板表面不得用手或其他物體接觸。

2. 應(yīng)變片的粘貼

粘貼應(yīng)變片之前，應(yīng)檢查應(yīng)變片的外觀，防止應(yīng)變片質(zhì)量問題對(duì)試驗(yàn)帶來不利影響。用棉花蘸少量丙酮對(duì)應(yīng)變片粘貼面進(jìn)行表面處理，去除可能存在的油污。采用502膠水進(jìn)行貼片，在試板應(yīng)變片粘貼標(biāo)記位置滴上一小滴膠液，然后放置在工件表面，此時(shí)，可以微動(dòng)應(yīng)變片，以確保應(yīng)變片的位置正確。最后在應(yīng)變片上面覆蓋一張聚四氟乙烯薄膜，用大拇指壓1-2分鐘后，檢查貼片是否成功。

3. 焊接應(yīng)變片引線

用502膠將端子粘在被測(cè)物件上，用20-30w電烙鐵將引出線與端子焊接起來，再把端子與導(dǎo)線焊接起來。應(yīng)力測(cè)量儀調(diào)零，觀察應(yīng)力測(cè)量儀數(shù)值是否穩(wěn)定，若不穩(wěn)定，要重新檢查應(yīng)變片的焊接點(diǎn)是否焊好或應(yīng)變片是否與其他金屬接觸導(dǎo)致短路。

4. 鉆孔

選用尺寸Φ1.5mm的鉆頭，打開手電鉆對(duì)準(zhǔn)應(yīng)變片上的中心點(diǎn)鉆孔，保持阻力盡可能穩(wěn)定，并垂直于工件表面，壓力適中，直鉆到預(yù)定孔深，拔出鉆桿。待10-20分鐘后，直到顯示器上的讀數(shù)逐漸穩(wěn)定后，按打印按鈕，直到數(shù)據(jù)自動(dòng)打印出來。

5. 按同樣的方法依次對(duì)所有點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量

數(shù)據(jù)分析

根據(jù)對(duì)接接頭不同位置處縱向殘余應(yīng)力的變化曲線，發(fā)現(xiàn)焊縫中心處殘余應(yīng)力最大，距離焊縫中心越遠(yuǎn)，殘余應(yīng)力越小。另外，還發(fā)現(xiàn)軌道蓋面層處測(cè)得的殘余應(yīng)力比其他部位的殘余應(yīng)力要高，這可能是由兩方面原因造成的。首先，該處選擇的焊材為耐磨材料，具有較高的硬度和拘束力；其次，該位置處于軌道最上面，焊接層數(shù)最多。根據(jù)軌道兩側(cè)堆焊層不同位置的殘余應(yīng)力曲線可知，焊縫中心處殘余應(yīng)力最大，距離焊縫越遠(yuǎn)，殘余應(yīng)力越小。該部位的焊接殘余應(yīng)力明顯高于對(duì)接接頭，這與軌道在使用過程中容易在該位置形成疲勞裂紋，造成焊接構(gòu)件損壞是相吻合的。

結(jié)論

通過對(duì)起重機(jī)軌道小孔法測(cè)殘余應(yīng)力結(jié)果，得出以下結(jié)論；

1. 焊縫中心殘余應(yīng)力最大，且離焊縫中心越遠(yuǎn)，殘余應(yīng)力越小，主要原因是焊縫中心熱輸入最大。

2. 在軌道蓋面層處測(cè)得的殘余應(yīng)力高于其他位置。這可能是由兩個(gè)原因造成的。首先，該處選擇的焊材為耐磨材料，具有較高的硬度和拘束力；其次，該位置處于軌道最上面，焊接層數(shù)對(duì)多。

1. 3.軌道堆焊處殘余應(yīng)力明顯高于對(duì)接接頭。這可能是由于對(duì)接焊時(shí)使用了工裝來控制其變形，而堆焊過程中沒有使用工裝來限制其變形，從而形成較大的殘余應(yīng)力。