超聲波時效消除裝載機(jī)動臂焊縫殘余應(yīng)力

工程機(jī)械中的結(jié)構(gòu)件，如裝載機(jī)中的動臂、前車架、后車架，挖掘機(jī)中的斗桿、動臂、回轉(zhuǎn)平臺、行走架等，均是通過焊接工藝得到所需的結(jié)構(gòu)形式。由于焊接過程不均勻的加熱作用，在冷卻后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力直接影響著結(jié)構(gòu)件的安全性、可靠性和工藝制造性，如：會影響結(jié)構(gòu)件的尺寸精度，為后續(xù)的機(jī)械加工帶來困難；殘余應(yīng)力的存在也會影響結(jié)構(gòu)件的機(jī)械強(qiáng)度，使構(gòu)件容易產(chǎn)生變形，在焊接接頭中產(chǎn)生裂紋等缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致整機(jī)喪失部分或全部使用功能，降低使用壽命。由于焊接殘余應(yīng)力的釋放導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的分中尺寸、開檔尺寸及關(guān)鍵孔位尺寸精度下降，進(jìn)而引起與之配合的零部件磨損或失效，典型的代表就是裝載機(jī)動臂板與前車架翼箱上孔連接處的銷軸異常磨損和存在異響的問題。這種焊接應(yīng)力的釋放不僅降低了整機(jī)工作的穩(wěn)定性，也極大地增加了企業(yè)及用戶的維護(hù)成本。因此，在結(jié)構(gòu)件焊接完成后，機(jī)械加工前有必要對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行消除應(yīng)力處理。

本文主要介紹了一種消除應(yīng)力的方法-超聲波時效法，為了體現(xiàn)其在消除殘余應(yīng)力方面的優(yōu)勢，與振動時效法進(jìn)行了相關(guān)的對比試驗(yàn)。

試驗(yàn)工件采用某型輪式裝載機(jī)的動臂，消除的焊縫為動臂板與動臂橫梁連接處的環(huán)形角焊縫。一件動臂利用超聲波去應(yīng)力設(shè)備消除焊縫處的殘余應(yīng)力，一件用振動時效設(shè)備消除焊縫處的殘余應(yīng)力。試驗(yàn)前，利用盲孔法分別在兩件動臂的焊縫中心和熱影響區(qū)處測量其焊接殘余應(yīng)力，焊縫中心和熱影響處各測三點(diǎn)。

試驗(yàn)過程中采用聚航科技的JH-Q50超聲波去應(yīng)力設(shè)備對整條焊縫進(jìn)行沖擊處理，處理單條焊縫的時間大約為10min。處理后利用盲孔法對處理后焊縫處的殘余應(yīng)力進(jìn)行測量。

為了對比，在另一件動臂上采用振動時效工藝消除焊縫處殘余應(yīng)力。激振點(diǎn)選在動臂板一端。振動時間為25min，振動完成后，利用盲孔法測量焊縫中心和熱影響區(qū)處的殘余應(yīng)力。

試驗(yàn)結(jié)果及分析

從處理前后動臂焊縫處殘余應(yīng)力對比數(shù)據(jù)可以看出，超聲波沖擊后的動臂、焊縫中心和熱影響區(qū)處的殘余應(yīng)力均由原來的拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力；振動時效后的動臂、焊縫中心和熱影響區(qū)處的殘余應(yīng)力還是拉應(yīng)力。從消除率對比數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)超聲波沖擊處理的焊縫，其殘余應(yīng)力均由壓應(yīng)力變?yōu)樨?fù)的拉應(yīng)力，消除率均在100%以上；經(jīng)振動時效處理的焊縫，其殘余應(yīng)力在處理前后均為正的拉應(yīng)力，消除率在30%-50%。

研究認(rèn)為，焊接殘余拉應(yīng)力的存在不僅影響焊縫和鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，同時對疲勞壽命也有明顯的影響。尤其是對于焊縫或鋼結(jié)構(gòu)中存在缺陷的情況，殘余拉應(yīng)力的存在會加速其失效的過程。但是當(dāng)焊縫中的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力時，其對焊縫的疲勞壽命則是有益的，殘余壓應(yīng)力的存在會減弱應(yīng)力集中的程度，限制或阻礙裂紋的形核及擴(kuò)展。因此，在制定消除焊縫殘余應(yīng)力工藝時，不僅需要安全消除殘余拉應(yīng)力，還要考慮植入部分壓應(yīng)力。通過以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可見超聲波時效處理焊縫殘余應(yīng)力的效果要明顯優(yōu)于振動時效。

綜合生產(chǎn)效率、成本等方面的因素，在批量生產(chǎn)過程中，可以采用振動時效和超聲波時效相結(jié)合的工藝，即先用振動時效對工件進(jìn)行整體消除應(yīng)力處理。而后，針對工件中的關(guān)鍵焊縫繼續(xù)采用超聲波時效方法消除應(yīng)力，植入有益的壓應(yīng)力，以達(dá)到效率、效益和質(zhì)量的完*結(jié)合。