機械設備焊接結構的疲勞壽命研究

趙國新

【摘要】本文對機械設備焊接結構的疲勞壽命進行了研究，這有利于延長機械設備的使用壽命，也有利于降低安全事故發生的概率。機械設備在使用一段時間后，可能會出現一些明顯的裂紋，如果施工單位不重視，可能會導致設備在使用的過程中出現斷裂。在研究的過程中，相關學者提出了斷裂力學與有限元結合的分析方式，這有利于提高檢測的準確性，可以在機械設備焊接結構的疲勞壽命研究中大力推廣這種方法。

【關鍵詞】機械設備；焊接結構；疲勞壽命；斷裂

機械設備在使用的過程中，焊接結構容易出現疲勞開裂或者斷裂的情況，如果開裂失效達到一定程度，會出現無法修復的問題，從而導致整臺設備報廢，增加了施工單位的經濟成本。為了及時修復設備，相關工作人員需要加強對機械設備焊接結構的疲勞壽命研究工作。本文介紹了一種以斷裂力學為基本原理與公式的研究方法，結合有限元分析軟件，可以保證檢測的準確性。筆者結合某工程實例，對機械設備焊接結構疲勞壽命研究中采用的流程、方法以及應用情況進行了簡單的介紹，以供參考。

1、研究實例

1.1焊接主梁結構簡介

某廠采用的橋式起重機，主梁采用的是空腹桁架式主梁，主梁結構是一種典型的焊接結構，如圖1所示。

在對該設備進行探傷時，工作人員在北主梁工字梁下蓋板位置發現了組合裂紋，如圖2所示。在進行仔細的觀察后發現，組合裂縫的源頭是在板寬中部與腹板間的焊縫處，有的裂紋長度已經達到了150mm，這嚴重影響了設備的質量以及使用的安全。

1.2起重機基本參數

起重機主梁采用的材質為16Mn，主小車重量為73G/t，起重機經常的起重載荷為100Q/t，水平加速度為0.18as/m·s-2，運行沖擊系數為1.1，起升動載系數為1.07。

2、研究的理論依據

在對該設備焊接裂縫進行疲勞壽命的研究時，是以斷裂力學為基礎，以設備存在初始類裂紋為前提，對裂紋擴展規律以及設備的壽命進行計算。根據斷裂力學相關概念，存在裂紋的構件，其壽命與裂紋擴展速率有著直接關系。在對裂紋擴展速率進行計算時，計算公式如下：

3、應力計算

在對應力進行計算時，采用了有限元分析軟件，根據ANSYS軟件提供的子模型技術，可以減小后期處理時產生的誤差，從而保證計算的精度。應力計算前，首先需要建立起重機主梁的整體模型，然后再進行加載計算，從而得到主梁下蓋板最大彎曲應力和最小彎曲應力云圖，根據最大與最小應力值的差，可以得到應力幅度。

4、主梁結構壽命評估

4.1參數確定

4.2壽命計算

在本文的研究實例中，實測的長裂紋為150mm，將其帶入式（2），可以得到理論應力循環次數，該主梁的理論剩余應力循環次數為：Np一NL=5 220次，5220次循環大約還能繼續工作43天。

5、焊接疲勞的預防措施

5.1降低應力集中

通過研究發現，機械設備焊接結構出現疲勞破壞的原因主要是應力集中，為了延長設備的使用壽命，可以采用降低應力集中的方法。在對焊接結構的形狀進行設計時，應減小斷面發生突變的可能，還要將結構中拐角以及尖角改為圓弧形狀，從而增加曲率半徑。在對焊接結構的載荷分布進行設計時，應保證分布的均勻性，避免局部承載過大。在對焊接接頭進行設計時，也要降低應力集中，可以選擇對接的接頭，最好能磨平余高。焊接時選用連續焊縫的方式，焊縫之間還應保持一定距離，另外，盡量避免在受拉構件上設置橫向焊縫。

5.2降低焊接殘余應力

為了避免設備焊接結構出現疲勞開裂的現象，設計與加工人員應對焊接工藝進行調節與控制，降低焊接殘余應力。采用振動時效處理、加熱、錘擊以及局部壓縮的方式都可以改善殘余應力場。設計人員在優化焊接結構時，可以減少焊縫的數量，減小焊縫的尺寸。如果焊縫過于集中，也會出現應力分布不均勻的問題，而采用較小的焊縫形式，則可以降低殘余應力。另外，設計人員還要合理安排焊縫的順序，可以先對收縮量比較大的焊縫進行處理，然后按照從中間向兩邊的方式進行焊接。如果構件同時存在對接焊縫與角焊縫，則應先處理前者。在優化振動時效時，可以采用敲擊的方式，激起構件共振，從而消除殘余應力。敲擊時效是根據構件固有的頻率做漸振運動，使金屬部件產生的塑性變形硬化，從而達到提高疲勞強度的效果，提高抗疲勞能力。設計人員還可以通過調節殘余應力場的方式降低殘余應力，這需要利用專業的加工設備，對焊縫或者焊趾進行修整。采用局部加熱的方式也可以提高焊接疲勞強度，設計人員應結合工作經驗，制定出切實可行的施工方案。

5.3焊接缺陷妥善處理

在焊接時，施工人員一定要提高焊縫的質量，控制施工的強度，做好焊接缺陷的妥善處理，從而延長設備的使用壽命。磨光是處理焊縫的有效措施，其可以改善焊縫的形狀參數，可以消除焊縫表面的缺陷。在對角焊縫磨光時，采用的工藝比較復雜，這對施工人員提出了較高的要求，其必須保證焊縫尺寸達標。在對局部進行磨光時，需要采用砂輪，這項工作的強度比較小，可以保證焊趾周圍的圓順性。只有優化焊接處理技術，才能提高焊接結構的疲勞強度。

6、結語

機械設備焊接結構出現疲勞裂紋后，對設備的使用帶來了較大的安全隱患，如果處理不夠及時，會縮短設備的使用壽命。本文對常用的探傷技術以及優化焊縫的方法進行了介紹，希望相關工作人員合理的利用這些技術，降低設備出現質量問題的概率。在設計焊縫的數量與尺寸時，應盡量減少焊縫的數量，這可以降低焊接結構出現疲勞失效的概率。研究人員采用斷裂力學與有限元分析法結合的方式，可以快速、準確的檢測出機械設備存在的斷裂隱患，從而延長設備的使用壽命。

參考文獻

[1]郝紅力，丁建人，李海超，楊宏科.大型鑄件改焊接結構的研究與推廣[J].裝備制造技術，2015（12）.

[2]張勝躍，卿黎，張宇棟.焊接結構承壓管道有限元與可靠性分析[J].焊管，2016（01）.

[3]馮占淼，孟賀超.液壓支架底座柱窩焊接結構及工藝改進[J].焊接技術，2016（02）.