液压平台焊缝疲劳开裂分析及其解决措施.pdf

第 3期 总第 1 7 2期 2 0 1 2年 6月 机 械 工 程 与 自 动 化 ME CHANI CAL ENGI NEE RI NG AUTOMATI ON No． 3 J u n ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 2 0 3 0 1 8 8 0 2 液压平 台焊缝疲劳开裂分析及其解决措施 石 军 中国船舶重工集 团公司 第七 一。研究所，湖北 宜昌4 4 3 0 0 3 摘要 液压平 台是某水下振源体液压伺服系统的装 配平 台。工作环境恶劣，在实 际工作过程中液压平 台焊缝 出现 了疲劳裂纹。对焊缝 产生疲 劳裂纹 的原 因进 行 了分析。将 液压平 台与托 架梁的焊接结构改为螺栓 连接， 并采用超声消应和整体真空热处理 消应 的方法提高整体抗疲 劳性 ，焊后整体加工用来满足精度要求，改进 后 的液压平 台再未 出现疲劳裂纹。 关键词 液压平 台；螺栓连接 ；焊缝裂纹 ；分析 中图分类号 T G 4 4 文献标识码 B 0 引言 水下振源体是一种长时间在海洋工况下使用的水 下装置 ， 装置采用液压驱动。液压平 台是液压伺服系 统的装配平台， 在工作中受到伺服系统的强烈振动 ， 工 作环境恶劣 。为了保证水下设备的正常使用 ， 液压平 台采用框架式焊接结构 ， 材料采用高强、 高韧 、 耐蚀 、 可 焊 的钛合金 T C 4合金 ， 但是在实际工作 中， 液压平 台焊缝还是 出现了疲劳裂纹。本文将对其焊缝产生裂 纹 的原因及其解决措施进行论述。 1液压 平台 的结构 液压平 台是 液压 伺 服 系统 的装 配平 台， 采 用整 体 框架式焊接结构 ， 伺服缸通过销孔与液压平 台接板连 接 ， 液压平台通过焊接结构与安装盘连接 ， 直梁和支撑 腿由锻件加工而成， 其余部分由板材加工而成， 各部分 经焊接后成型。平台对焊接质量要求高， 所有对接焊 缝按 J B ／ T 4 7 3 0标 准 1 0 0 X射线检验 ， 要求达 到 I I 级； 所有焊缝表面按 J B 4 7 3 O标准进行焊后表面着色处 理 ， 要求达到 I 级。液压平 台整体制造精度要求高， 特 别是伺服缸与液压平 台装配时， 要求两个伺服缸的同 轴度达到 0 ． 4 mm。伺服缸与液压平台装配示意图如 图 1所示 。 2焊缝 裂纹产 生原 因分析 液压平 台在工作一段时间后 ， 在托架梁 与安装盘 问及横梁与安装盘间出现 了焊缝裂纹 ， 此两处裂纹均 是从焊缝尖角处开裂并 向两端延长 ； 另外平 台左侧两 个支 撑腿 有 3处裂纹 ， 右 侧 两个 支 撑 腿 上也 有 1处 裂 纹 。焊缝 裂纹 较多分 布在支 撑腿与 直梁及 托架梁 之间 焊缝交 接尖 角处 ， 从 焊缝尖角 处开裂 并 向母 材延 长 ， 其 中有一处裂纹 已从厚度方向裂透。焊缝裂纹位置图如 图 2所 示 ， 液 压平 台的焊缝开 裂情况 如 图 3所示 。 图 1伺 服 缸 与 液 压 平 台 装 配 示 意 图 焊缝开裂的形式主要有以下 3种 ①沿焊缝开裂， 裂纹的起点在焊缝根部 ， 焊脚尺寸偏低 ， 焊缝强度小 ， 当实际焊脚尺寸 临界焊脚尺寸时， 裂纹产生在焊趾处， 并沿焊趾开裂扩 展 ； ③沿母 材 开 裂 ， 裂纹 也 产 生 在 有 应 力 集 中的 焊 趾 处 ， 并且是焊缝与直梁的棱边交接处， 应力集 中系数非 常高， 裂纹同时向焊趾和母材两处扩展。 从焊缝裂纹出现的位置分析 ， 横梁焊缝的裂纹产 生情况与支撑腿焊缝的裂纹产生情况基本相同， 都是 从应力集中的焊缝尖角处产生裂纹 ， 然后裂纹开始延 长。焊缝开裂与结构抗疲劳性能的优劣密切相关 ， 结 收稿 日期 2 0 1 l 一 1 2 2 8 ；修 回日期 2 0 1 2 0 1 2 0 作 者简介 ；石军 1 9 7 0 一 ，男，湖北宜昌人 ，工程 师，本科 ，主要从事水下特种设备 的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 3期 石军 液压平 台焊缝疲 劳开裂分析及其解 决措施 1 8 9 构抗疲劳性能不仅取决于材料本身 的特性 ， 而且与其 形状 、 尺寸、 表面质量 、 工况等因素相关。液压平台通 过焊 接结 构 与托架 梁连接 ， 增强 了 自身 的强度及 刚度 ， 但是焊接应力不好消除， 同时也增加了焊缝 的焊接难 度 ， 使焊缝表面质量难以保证 ， 焊缝容易存在尖角等原 始缺陷， 在疲劳载荷作用下 ， 易诱发疲劳裂纹。液压伺 服系统在工作过程中会产生强烈的振动 ， 平 台承受的 交变载荷易诱发疲劳裂纹。 1 一安装盘 ； 2 一托架梁； 3 一支撑腿 ； 4 一伺服缸接板 ； 5 一直梁； 6 一伺服缸 ； 7 一横梁 图 2焊缝裂纹位 置示意图 图 3液 压 平 台 的焊 缝 开 裂 情 况 通过以上分析 ， 液压平台焊缝疲劳断裂产生 的主 要 原 因为 ① 在制定 液压 平 台焊接工 艺 时 ， 过 多地考 虑 了对焊接变形的控制， 轻视了对支撑腿与直梁 、 支撑腿 与托架梁焊缝的强度要求 ， 没有将支撑腿焊缝焊透 ， 造 成焊缝有效厚度偏低， 导致支撑腿焊缝从根部或焊趾 处疲 劳开 裂 ， 逐 渐扩 展到 临界裂 纹尺 寸 ， 导致 支 撑腿 焊 缝疲劳开裂 ； ②液压平 台支撑腿焊接面处 ， 横梁、 托架 梁与安装盘之间交接处有尖角 ， 导致焊接应力集 中， 诱 发焊缝疲劳裂纹 ； ③液压平 台在工作 中承受很强的振 动， 同时受到交变载荷的作用， 使支撑腿承受较大的疲 劳应力 ， 再者支撑腿焊缝强度偏低和焊缝应力集中， 使 焊 缝疲 劳 开裂 。 3解 决方 法及措 施 液压平台的焊缝裂纹产生属于疲劳损伤， 此类损伤 即使采用增加补焊加强筋， 将支撑腿焊缝焊透的方法提 高液压平台强度 ， 但补焊后的焊接应力仍无法消除， 经 过一段时间工作后， 焊缝还是有可能产生疲劳裂纹。而 且从产品质量要求考虑， 对液压平台进行补焊很难保证 产品质量要求。根据上述分析， 本文采取以下解决方法。 3 ． 1 结构方 面 1 增加 液 压平 台上 承 力 焊缝 的有 效 截 面 面 积 ， 承力件的焊缝尽量采用全坡 口形式 ， 焊缝采用焊透形 式， 以提高焊缝的焊接强度和耐疲劳性能。底板 和直 梁与支撑腿焊缝采用焊透结构， 增 大横梁和托架梁 与 安装盘之间的焊接面积， 提高焊接面的承载能力。 2 为避免承力件局部应力集 中， 引起承力点处 开裂 ， 将承力件的所有尖角或锐边过渡改成圆弧过渡， 减小 应力集 中 ， 将被 焊件 的焊 接 面交 接 处 设计 成 圆柱 形或接近圆柱形结构 ； 将支撑腿截面改为圆形截面； 将 托架梁与安装盘对接部分加工成圆弧形截面 。 3 液压平 台与托架梁 的焊接结构改成螺 栓连 接， 以降低焊接难度 ， 减小整体焊接变形， 另外还可 以 将液压平台取出， 相关零件焊前留有加工余量 ， 便于保 证液压平台的加工精度要求和焊缝强度要求。图 4为 更改 结构后 的 液压平 台结构 示意 图 。 1 一 安装 盘 ； 2一托 架 梁 ； 3 一底 板 ； 4一螺 栓 } 5 一定位销 ； 6 --伺服缸接板 ； 7 一直梁 ； 8 一伺服缸 ； 9 一支撑腿 I 1 0 一横梁 图 4 更改后的液压 平台结构示意 图 3 ． 2焊 接 工 艺 方 面 在装配前 ， 先将液压平台支撑腿与底板焊接， 以确 保 4个支撑腿焊缝焊透， 每焊一道焊缝后 ， 立即对焊缝 进行超声消应处理。其具体操作方法是 将超声冲击 枪对准焊接接头焊趾部位， 且基本垂直于焊缝 ， 冲击头 的冲击针沿焊缝方向排列 ， 略施加一定的压力 ， 使其基 本 在 冲击枪 的 自重 条件 下进行 冲击 处理 。采用 同样方 法依次完成平台与横梁 、 横梁与安装盘的焊接 。焊接 完成后对平台进行整体真空热处理以消除焊接应力 ， 稳定结构尺寸， 最后进行整体机加工以保证精度要求。 下转第 1 9 1页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年 第 3期 机 械 工 程 与 自 动 化 1 9 1 度和热刚度。因此在开发机床时采用三维设计软件进 量的切削液实现冷却 ， 但会造成环境污染。因此本设 行建模设计 ， 并通过有限元分析优化了机床整机结构。 计中采用干式切削， 即通过微量油雾冷却刀具进行切 该机床采用龙门框架结构， 而移动部件横梁、 滑鞍、 主 削， 并配有油雾吸收装置。而清理切屑的工作则采用 轴箱在保证其刚度的前提下采用轻量化设计 ， 提高 了 吹气的方法实现。 整 机 的动态 性能 。 1 ． 6 安全 装置 1 ． 5 刀具 系统 高速加工机床的安全防护装置不同于普通的数控 高速加工离不开刀具系统 ， 刀具系统包括主轴 的 机床 ， 除了要考虑功能部件 的防尘、 防屑， 最关键是应 刀柄型式、 刀具的选择和刀具 的冷却。主轴的高转速 考虑到对操作者 的安全。高速加工 中切 削速度非常 将产生高的离心力， 而 目前常用 的 7 2 4锥柄不能提 高， 如果加工 中铁屑或者断裂的刀 片从加工 区域飞出 供足够的夹持力 ， 为此选择了更适合高速加工的 HS K 来 ， 对操作者可能造成非常大的伤害， 因此在开发的机 型式的刀柄。高速加工通常选用立式铣刀， 但一般不 床防护系统 中采用了加厚的钢板 ， 并且观察 窗采用防 采用平底立式铣刀， 因为平底立式铣刀切削刃短 ， 受力 弹玻璃 ； 在电气控制上做 了互锁， 以防止误操作。 大， 易磨损 ， 故通常采用刀尖为圆弧型的立式铣刀。冷 2 小结 却对高速加工的刀具非常重要 ， 直接影响刀具的寿命 目前， 高速五轴加工 中心 VMC O 6 5 6 mu已经投放 和加工零件的表面质量， 传统的冷却方式是通过大流 市场， 受到国内外用户的一致好评 。 De v e l o p me n t 0 f VM CO 6 5 6 mu Hi g h s p e e d M a c h i n e To o l I tAN Ta o，YI Ga ng Sh e ny a n g Ma c h i n e To o l C o ．，Lt d ．，Sh e n y a n g 1 1 0 1 4 2，Ch i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e d s e v e r a l k e y t e c h n i c a l p o i n t s i n t h e d e v e l o p me n t o f VM C 0 6 5 6 mu h i g h - s p e e d ma c h i n e t o o l ，wh i c h ma y pr ov i d e s o me r e f er e n c e f or t h e de v e l op me nt o f s i mi l a r m a c h i n e t o ol s ． Ke y wo r d s VM C0 6 5 6 mu ；h i g h - s p e e d ma c h i n e t o o l ；h i g h - s p e e d ma c h i n i n g 上接 第 1 8 9页 4结 束语 采用以上措施后 ， 液压平 台在整体强度及刚度上 均得到了较大的提高 ， 焊缝质量得到了改善 ， 工作时具 有一定的应力释放能力 。改进后液压平台与原来相比 具有焊接可操作性好 ， 焊接高温区的保护容易实施 ， 焊 接质量容易保证 ； 可控制和减少焊接变形， 液压平台的 精度容易保证； 焊接应力容易消除， 可提高焊缝的抗疲 劳性能 。在实际使用过程中， 改进后 的液压平 台一直 未 出现过焊缝开裂情况 ， 其结构和工艺能满足产品使 用 工况 要求 。 参考文献 E 1 3 高频． 水下 大功率振 源体结 构及 工艺设 计E J ] ． 机械 工程 与 自动化 ， 2 0 0 7 1 2 1 4 4 - 1 4 6 ． [ 2 ] 成大先． 机械设计手册 第 l 卷 [ M] ． 第 4版． 北 京 化 学 工业出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 李亚江． 实用焊 接技术 手册 [ M] ． 石家庄 河北 科学技 术 出版社 ， 2 0 0 2 ． Ana l y s i s o f W e l d i n g Fa t i g u e Cr a c k i n g o f Hy d r a u l i c Pl a t f o r m a n d I t s S o l u t i o n s S HI J n n N o ．7 1 0 R ＆ D I n s t i t u t e ，C S I S ，Y i c h a n g 4 4 3 0 0 3 ， Ch i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c p l a t f o r m i s t h e a s s e mb l y p l a t f o r m o f t h e h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m o f a s u b ma r i n e o s c i l l a t o r ，wh i c h wo r k s u n d e r p o o r c o n d i t i o n s ，a n d f a t i g u e c r a c k O c c u r s i n t h e we l d i n g s e a m o f t h e h y d r a u l i c p l a t f o r m．I n t h i s p a p e r ，o n t h e a n a l y s i s o f t h e r e a s o n s f o r f a t i g u e c r a c k，we c h a n g e s t h e we l d i n g s t r u c t u r e o f t h e h y d r a u l i c p l a t f o r m a n d b r a c k e t i n t o b o l t c o n n e c t i o n，a n d a d o p t s t h e u l t r a s o u n d t r e a t me n t a n d v a c u u m h e a t t r e a t me n t t O i mp r o v e t h e f a t i g u e r e s i s t a n c e ．Th e n t h e g l o b a l p r o c e s s i n g i s u s e d t O me e t t h e a c c u r a c y r e q u i r e me n t s ． Th e i mp r o v e d h y d r a u l i c p l a t f o r m i s s a t i s f i e d ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c p l a t f o r m ；b o l t c o n n e c t i o n；we l d c r a c k；a n a l y s i s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m