小孔法测起重机轨道残余应力案例分析

起重机轨道截面多为工字形，轨道顶部为凸状，底部配有一定宽度的平板以增加与基础的接触面，具有良好的抗弯强度。起重机轨道通常采用C、Mn含量较高的U71Mn钢轧制而成。考虑到起重机运行的平稳性，通常需要焊接。然而，起重机轨道在焊接时接头内会产生较大的残余应力，在使用过程中容易产生疲劳裂纹。

本文对起重机轨道进行堆焊及对接试验，用小孔法测残余应力分布情况，并分析其产生原因，最后，提出消除焊接残余应力的方法。

试验材料介绍

本次试验采用150mm长110kg级轨道钢作为母材分别进行对接、堆焊试验。对对接接头、堆焊分别采用焊条电弧焊、CO₂气体保护焊进行焊接。选用直径分别为4mm、5mm的大西洋焊材CHE50和直径为4mm的J857作为110kg轨道钢对接接头的填充材料，选用直径为1.4mm的京雷焊材GFL-71作为110kg轨道钢堆焊的填充材料，选用浓度为99.99%的CO₂作为保护气体。

使用仪器介绍

本次试验残余应力检测仪采用聚航科技的JH-30残余应力检测仪和JHZK残余应力钻孔装置，该仪器操作简单，可直接读出结果。

残余应力检测步骤

在测量之前，打开应变仪，连接好导线，电烙铁要预先加热，要准备好各种工具。

具体测量步骤如下：

1. 对试板表面进行处理，用砂轮去除焊缝余高，再用铁刷或砂布去除试板表面的氧化皮和锈迹，然后用100目左右的砂布交叉打磨，达到Ra值3.2-6.4，用丙酮擦拭试板，初步去除试板表面的油污。根据试验方案，用划针轻轻划出应变片粘贴位置。用棉花球或砂布蘸取丙酮多次擦洗，直至棉花球或砂布无污渍为止，彻底消除试板表面残留铁屑。表面处理是残余应力测试过程中的一个重要环节，根据粘贴应变片的要求，必须保证试板粘贴表面无油污，清洗过的试板表面不得用手或其他物体接触。

2. 应变片的粘贴

粘贴应变片之前，应检查应变片的外观，防止应变片质量问题对试验带来不利影响。用棉花蘸少量丙酮对应变片粘贴面进行表面处理，去除可能存在的油污。采用502胶水进行贴片，在试板应变片粘贴标记位置滴上一小滴胶液，然后放置在工件表面，此时，可以微动应变片，以确保应变片的位置正确。最后在应变片上面覆盖一张聚四氟乙烯薄膜，用大拇指压1-2分钟后，检查贴片是否成功。

3. 焊接应变片引线

用502胶将端子粘在被测物件上，用20-30w电烙铁将引出线与端子焊接起来，再把端子与导线焊接起来。应力测量仪调零，观察应力测量仪数值是否稳定，若不稳定，要重新检查应变片的焊接点是否焊好或应变片是否与其他金属接触导致短路。

4. 钻孔

选用尺寸Φ1.5mm的钻头，打开手电钻对准应变片上的中心点钻孔，保持阻力尽可能稳定，并垂直于工件表面，压力适中，直钻到预定孔深，拔出钻杆。待10-20分钟后，直到显示器上的读数逐渐稳定后，按打印按钮，直到数据自动打印出来。

5. 按同样的方法依次对所有点进行测量

数据分析

根据对接接头不同位置处纵向残余应力的变化曲线，发现焊缝中心处残余应力最大，距离焊缝中心越远，残余应力越小。另外，还发现轨道盖面层处测得的残余应力比其他部位的残余应力要高，这可能是由两方面原因造成的。首先，该处选择的焊材为耐磨材料，具有较高的硬度和拘束力；其次，该位置处于轨道最上面，焊接层数最多。根据轨道两侧堆焊层不同位置的残余应力曲线可知，焊缝中心处残余应力最大，距离焊缝越远，残余应力越小。该部位的焊接残余应力明显高于对接接头，这与轨道在使用过程中容易在该位置形成疲劳裂纹，造成焊接构件损坏是相吻合的。

结论

通过对起重机轨道小孔法测残余应力结果，得出以下结论；

1. 焊缝中心残余应力最大，且离焊缝中心越远，残余应力越小，主要原因是焊缝中心热输入最大。

2. 在轨道盖面层处测得的残余应力高于其他位置。这可能是由两个原因造成的。首先，该处选择的焊材为耐磨材料，具有较高的硬度和拘束力；其次，该位置处于轨道最上面，焊接层数对多。

1. 3.轨道堆焊处残余应力明显高于对接接头。这可能是由于对接焊时使用了工装来控制其变形，而堆焊过程中没有使用工装来限制其变形，从而形成较大的残余应力。