侯國清，陸 維，覃 劍，李江崟，王國安

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州545007）

振動(dòng)時(shí)效和超聲沖擊在消除裝載機(jī)前車架焊接殘余應(yīng)力中的應(yīng)用

侯國清，陸 維，覃 劍，李江崟，王國安

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州545007）

采用振動(dòng)時(shí)效+超聲沖擊的處理工藝對(duì)裝載機(jī)前車架的關(guān)鍵焊縫進(jìn)行了消除焊接殘余應(yīng)力試驗(yàn)，得出經(jīng)振動(dòng)時(shí)效處理以后，焊縫處的殘余應(yīng)力可以降低30%～50%，而經(jīng)超聲沖擊處理以后，焊縫中的殘余應(yīng)力可以100%消除，同時(shí)植入對(duì)疲勞有益的壓應(yīng)力，并且可以將焊趾與母材的過渡區(qū)域變得平滑，減小焊趾處的應(yīng)力集中水平。在實(shí)際時(shí)，可以采用振動(dòng)時(shí)效+超聲波沖擊的復(fù)合工藝來消除前車架中的焊接殘余應(yīng)力，即先用振動(dòng)時(shí)效對(duì)前車架整體進(jìn)行處理，整體消除焊接殘余應(yīng)力，然后再利用超聲波沖擊針對(duì)關(guān)鍵焊縫進(jìn)行消應(yīng)力處理。

超聲波沖擊；振動(dòng)時(shí)效；殘余應(yīng)力

焊接是生產(chǎn)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件，如裝載機(jī)中的前車架、后車架，挖掘機(jī)中的斗桿、動(dòng)臂等的最主要的連接方式。在焊接過程中，由于焊接電弧加熱的不均勻性以期材料內(nèi)部等的相變作用，導(dǎo)致焊縫及結(jié)構(gòu)件中存在不同水平的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在，不僅影響結(jié)構(gòu)件的工藝制造性，如會(huì)降低構(gòu)件的尺寸和形位精度，導(dǎo)致裝配精度的降低，甚至工件的報(bào)廢；而且殘余應(yīng)力還可能會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而降低構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命，使整機(jī)喪失部分或全部功能[1-3]。如果焊接構(gòu)件在機(jī)加前沒有進(jìn)行相應(yīng)的消應(yīng)力處理，在構(gòu)件服役時(shí)會(huì)出現(xiàn)殘余應(yīng)力釋放的問題，應(yīng)力的釋放會(huì)引起構(gòu)件配合精度的降低，進(jìn)而導(dǎo)致零部件的異響、異常磨損或失效。因此，開發(fā)出合適的消除焊接殘余應(yīng)力的處理工藝并實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用，不僅可以提高構(gòu)件和整機(jī)的使用壽命，也為企業(yè)和用戶節(jié)約了維修、維護(hù)的成本。

焊接過程會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，是焊接過程固有的現(xiàn)象，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是不可避免的，只能采用焊后的處理措施減小或消除。目前，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，常見的消除焊接殘余應(yīng)力的措施有去應(yīng)力退火、錘擊法、TIG熔修、噴丸處理等。去應(yīng)力退火是將工件緩慢加熱到較低溫度（例如，鋼一般是500～650℃），保溫一段時(shí)間，使金屬內(nèi)部發(fā)生弛豫，然后緩冷下來。去除應(yīng)力退火并不能將殘余應(yīng)力完全去除，而只是部分去除，從而消除它的有害作用。但是，工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件尺寸較大，需要配置相應(yīng)尺寸的熱處理爐，投資較大。同時(shí)，熱處理過程也需要消耗較大的能量，導(dǎo)致生產(chǎn)成本的提高。錘擊法是指焊后用手錘錘擊焊縫及近縫區(qū)，使其產(chǎn)生塑性變形，用來補(bǔ)償或抵消焊接時(shí)所產(chǎn)生的壓縮塑性變形，降低焊接殘余應(yīng)力。錘擊法對(duì)于初級(jí)的力量、速度均有一定的要求，如果錘擊時(shí)力量過大就會(huì)引起加工硬化或?qū)⒑缚p錘裂；如果錘擊力量太小又起不到消除應(yīng)力的作用，此種方法消除的殘余應(yīng)力的重復(fù)性和再現(xiàn)性較差。TIG熔修是利用普通的鎢極氬弧焊在焊趾的特定部位以一定的熔修規(guī)范和工藝對(duì)焊趾進(jìn)行重熔整形，調(diào)整焊趾的形貌及殘余應(yīng)力分布。有研究認(rèn)為經(jīng)TIG熔修后，焊縫的疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度均會(huì)提高[4]；但也有研究發(fā)現(xiàn)TIG熔修會(huì)引入新的焊接缺陷，導(dǎo)致接頭疲勞壽命降低[5]。噴丸可以對(duì)工件進(jìn)行整體消應(yīng)力處理，選擇合適的噴丸參數(shù)可以將接頭的疲勞壽命提高1倍[6]，但噴丸處理只能消除外露的焊縫，對(duì)于構(gòu)件內(nèi)部的焊縫則無能為力。

本文提出了一種新型的消除焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的工藝組合振動(dòng)時(shí)效+超聲沖擊處理，并進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)對(duì)象為某型號(hào)輪式裝載機(jī)的前車架，如圖1所示，材質(zhì)主要為Q345，利用焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接。試驗(yàn)時(shí)首先對(duì)目標(biāo)焊縫的殘余應(yīng)力水平進(jìn)行測量，然后進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，處理完成后，再次測量目標(biāo)焊縫的殘余應(yīng)力水平，然后對(duì)目標(biāo)焊縫進(jìn)行超聲沖擊處理，處理完成后第三次測量目標(biāo)焊縫的殘余應(yīng)力水平。

圖1 待處理工件及目標(biāo)焊縫

殘余應(yīng)力的測量采用盲孔法，每條目標(biāo)焊縫測量3個(gè)點(diǎn)，測量位置為目標(biāo)焊縫的焊趾處，并在焊縫長度方向上均勻分布；振動(dòng)時(shí)效處理時(shí)，激振點(diǎn)選在前車架下鉸接的上板位置處，拾振點(diǎn)選在翼箱的外側(cè)板上，如圖2所示。振動(dòng)時(shí)效處理時(shí)間為25 min.

圖2 振動(dòng)時(shí)效處理

超聲沖擊消除殘余應(yīng)力的原理是通過換能器將超聲頻的電流轉(zhuǎn)換成同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)通過沖擊針傳遞到待處理金屬表面，使其一定深度的表層金屬產(chǎn)生壓縮塑性變形，以消除拉伸殘余應(yīng)力，并使得尖銳過渡處曲率半徑變大，降低應(yīng)力集中系數(shù)[7]。經(jīng)過超聲沖擊處理以后，被處理的焊縫或金屬會(huì)產(chǎn)生壓縮塑性變形，并使被沖擊部位得以強(qiáng)化。試驗(yàn)時(shí)，選擇單根沖擊針的沖擊頭，沖擊針直徑為6 mm，處理速度控制在200 mm/min.處理完成后，焊趾上要處理出一條連續(xù)、均勻、光亮的凹槽，凹槽橫截面要保證焊縫一側(cè)的凹槽寬度與母材一側(cè)的凹槽寬度大致相等[7]，如圖3所示。超聲沖擊處理前、后焊縫焊趾處的形貌對(duì)比如圖4所示。

圖3 超聲沖擊處理后焊趾截面

圖4 超聲沖擊處理前、后焊趾處的形貌對(duì)比

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表1給出了焊后、振動(dòng)時(shí)效后以及超聲沖擊處理后目標(biāo)焊縫焊趾處的殘余應(yīng)力水平?？梢钥吹?，焊后目標(biāo)焊縫的殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，殘余應(yīng)力水平可以達(dá)到材料屈服強(qiáng)度的0.7～0.9倍。經(jīng)過振動(dòng)時(shí)效處理后，目標(biāo)焊縫各測點(diǎn)位置處的殘余應(yīng)力水平有所降低，降低幅度在30%～50%之間，但殘余的應(yīng)力依然是拉應(yīng)力。經(jīng)過超聲沖擊處理以后，目標(biāo)焊縫中的殘余拉應(yīng)力被消除，并在焊趾處植入了一定的殘余壓應(yīng)力。

表1 前車架目標(biāo)焊縫不同階段的殘余應(yīng)力水平

研究認(rèn)為，焊接結(jié)構(gòu)中存在的殘余拉應(yīng)力不僅會(huì)降低結(jié)構(gòu)的壓桿穩(wěn)定性和承載能力，還會(huì)降低焊接結(jié)構(gòu)的加工精度、疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。尤其是當(dāng)焊縫或鋼結(jié)構(gòu)中存在缺陷時(shí)，殘余拉應(yīng)力會(huì)加速其失效。但是當(dāng)焊縫中的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，其對(duì)焊縫的疲勞壽命則是有益的。焊縫中的殘余壓應(yīng)力會(huì)減弱應(yīng)力集中的程度，限制或阻礙裂紋的形核及擴(kuò)展[8-9]。

結(jié)構(gòu)件經(jīng)過振動(dòng)時(shí)效處理后，其內(nèi)部殘余應(yīng)力的水平會(huì)普遍降低30%～50%.應(yīng)力水平的降低會(huì)使得機(jī)加過程中應(yīng)力的釋放量減少，這樣就保證了結(jié)構(gòu)件的加工精度，提高了構(gòu)件的裝配精度，為減少異常磨等創(chuàng)造了有利條件。

結(jié)構(gòu)件焊縫經(jīng)過超聲沖擊處理后，焊趾處殘余的拉應(yīng)力被消除，并在焊趾處植入了對(duì)提高疲勞壽命有益的壓應(yīng)力。同時(shí)，經(jīng)過處理后，焊趾處出現(xiàn)了一條連續(xù)、均勻、光滑的凹槽，如圖3所示，這樣焊趾與母材的過渡就變的平滑，結(jié)構(gòu)件在服役過程中，焊趾處的應(yīng)力集中水平就會(huì)降低，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命。

因此，在制定結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)工藝時(shí)，考慮到生產(chǎn)效率以及運(yùn)營成本，在批量生產(chǎn)過程中，可以采用振動(dòng)時(shí)效+超聲沖擊處理的復(fù)合工藝，即結(jié)構(gòu)件焊接完成后、機(jī)加前，先采用振動(dòng)時(shí)效的方法整體消除部分焊接殘余應(yīng)力，然后針對(duì)設(shè)計(jì)仿真時(shí)的薄弱焊縫，以及構(gòu)件服役過程中開裂較多的焊縫再進(jìn)行超聲沖擊處理，進(jìn)而達(dá)到生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的完美結(jié)合。

3 結(jié)束語

本文對(duì)某型裝載機(jī)前車架進(jìn)行了消除焊接殘余應(yīng)力的試驗(yàn)，利用振動(dòng)時(shí)效的方法可以整體消除前車架焊縫的殘余應(yīng)力，消除率為30%～50%；采用超聲沖擊處理的方法可以100%消除焊縫中的殘余拉應(yīng)力，并植入對(duì)焊縫及整體結(jié)構(gòu)有益的殘余壓應(yīng)力，同時(shí)經(jīng)超聲沖擊處理后，焊趾與母材的過渡變得圓滑，降低了焊趾處的應(yīng)力集中水平。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可以采用振動(dòng)時(shí)效+超聲沖擊處理的復(fù)合工藝，即結(jié)構(gòu)件焊接完成后、機(jī)加前，先采用振動(dòng)時(shí)效的方法整體消除部分焊接殘余應(yīng)力，然后針對(duì)設(shè)計(jì)仿真時(shí)的薄弱焊縫，以及構(gòu)件服役過程中開裂較多的焊縫再進(jìn)行超聲沖擊處理。

[1]賀啟良，馬東溟.焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響[J].材料研究與應(yīng)用，2010，4（1）：75-77.

[2]姚 杞，羅 震，羅 輝.焊接工藝對(duì)T形接頭構(gòu)件焊接應(yīng)力分布的影響[J].焊接技術(shù)，2013，42（2）：17-20.

[3]何恩光，鞏水利，吳 冰，等.激光焊接T型接頭殘余應(yīng)力測試[J].電加工與模具，2010（6）：32-35.

[4]王東坡，霍立興，張玉鳳．TIG熔修法改善含咬邊缺陷焊接接頭疲勞性能[J]．天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，37（7）：570-574．

[5]閆忠杰，劉雪松，方洪淵，等.TIG熔修對(duì)7N01鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2013，34（4）：105-109.

[6]Jin Gan，Di Sun，ZhouWang，Peng Luo，WeiguoWu.The effect of shot peening on fatigue life of Q345D T-welded joint[J].Journal of Constructional Steel Research，126（2016）74-82.

[7]王東坡，吳良晨，李榮鋒，等.GB/T33163-2016金屬材料殘余應(yīng)力超聲沖擊處理法[S].北京：國家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，2016.

[8]張定銓.殘余應(yīng)力對(duì)金屬疲勞強(qiáng)度的影響[J].理化檢測-物理分冊(cè)，2002，38（6）：230-234.

[9]周金枝.焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接構(gòu)件疲勞壽命的影響[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，23（9）：69-71.

The Application of VSR and UIT in Relieving Residual Stress in Wheel Loader Front Frame Welds

HOU Guo-qing，LU Wei，QIN Jian，LI Jiang-yin，WANG Guo-an
（Guangxi Liugong Machinery Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Residual stress relieving test was carried out on welds in front frame of wheel loader through vibration stress reliving （VSR）and ultrasonic impact treatment（UIT）.Results show that，30% ～ 50%residual stress in welds is relieved by VSR；100%residual stress in the welds is relieved by UIT，beneficial compressive stress was planted and made it smoothly from weld toe to base metal.In the actual production process，the method combining VSR with UIT can be used to relieve the residual stress in structure welds，which is using VSR method to eliminate the overall residual stress in structure，and then using the UIT on critical welds to relief stress.

ultrasonic impact；VSR；residual stress

TG441.8

B

1672-545X（2017）09-0099-03

2017-06-14

侯國清（1982-），男，河北滄州人，博士，工程師，主要從事工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接相關(guān)工作；陸 維（1978-），男，廣西柳州人，本科，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝優(yōu)化工作。