常通 平德純 劉強 韓立華

摘要：分別采用不同的沖擊電流（3個）和沖擊時間（3個），以這兩個參數(shù)組合成9組試驗參數(shù)進行超聲沖擊后，采用盲孔法檢測殘余應力。研究結果表明，齒座焊趾經(jīng)過超聲沖擊處理后，殘余應力消除率為68%～122%。當沖擊時間不變時，殘余應力消除率會隨沖擊電流增大而提高，最大增幅低于34%，當電流為3.1 A時可以在表面形成較大的壓應力。當沖擊電流不變，增大沖擊時間時消除率的降幅較小，增幅低于16%。切割頭齒座與筒體焊接接頭超聲沖擊處理的最佳電流值為2.7～3.1 A，最佳沖擊時間不大于250 s。

關鍵詞：超聲沖擊;壓應力;殘余應力;屈服強度;工程機械

中圖分類號：TG404? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0132-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.25

0? ? 前言

工程機械大多采用焊接方法制造結構件。焊接一般是局部加熱過程，焊件中殘余應力較大[1]。工作過程中可能發(fā)生工作應力和殘余應力疊加，導致材料發(fā)生屈服、變形、斷裂等失效。目前，關鍵結構件常規(guī)的去應力方法為振動時效及熱處理。振動時效只能均化應力，殘余應力的去除比例較低;熱處理工藝具有處理周期長、工件表層易氧化、成本高等缺點[2]，且高強鋼焊件經(jīng)熱處理母材強度會下降10%以上。

超聲沖擊是目前國內外比較流行的消除焊接殘余應力的方法，它是利用超聲波振動驅動沖擊針高速撞擊工件表面，使工件表面產(chǎn)生塑性變形的一種技術[3]，具有能耗與成本低、去應力效果好、操作簡單等優(yōu)點[4]。但目前在異種鋼材料焊接接頭去應力方面的研究很少，文中以某工程掘進機切割頭異種鋼焊接接頭為例，研究不同超聲沖擊電流和沖擊時間對此類接頭殘余應力的影響。

1 試驗方法與過程

掘進機切割頭齒座（8637）與筒體（ZG16Mn）為異種鋼接頭。母材化學成分和力學性能如表1、表2所示。焊接方法為GMAW[保護氣體為φ （Ar）80%+φ（CO2）20%]多層多道焊，焊接材料為φ1.2mm ER69-G。可以看出，ZG16Mn屬于低碳鋼，焊接性較好（CE≥0.32%）;8637屬于中碳調質鋼（CE≥0.64%），當CE大于0.45%時，材料淬硬傾向明顯[1]。8637 鋼的CE≥0.64%，說明其淬硬性明顯，冷裂傾向非常嚴重。

如圖1所示，焊接接頭為開坡口的T型接頭再加30 mm角焊接。焊接填充量非常大，殘余應力很大，在硬巖掘進施工過程中極易開裂。由于齒座為調質件，若焊后采用去應力退火處理，強度與硬度降低太多，因而使用超聲沖擊來降低殘余應力。

超聲沖擊的原理如圖2所示，沖擊槍中的磁致伸縮換能器將超聲頻電振動信號轉化為同頻率的機械振動，再由與之連接的變幅桿將振幅放大后傳遞至沖擊針。超聲振動能量在沖擊針與工件接觸時向工件內部傳遞，加速被沖擊區(qū)材料的塑性變形[4]。從而有效消除焊縫表面的殘余拉應力，引入殘余壓應力，提高焊接構件的疲勞壽命。

而后采用盲孔法測量超聲沖擊前后掘進機切割頭異種鋼焊接接頭殘余應力。

1.1 試驗設備

（1）焊接設備：松下YD500- FR2氣保焊機。

（2）清渣工具：φ125 mm 電動角向磨光機。

（3）超聲沖擊設備：HY2050G 超聲沖擊儀，如圖3所示。

1.2 超聲沖擊試驗

1.2.1 試驗方案

試驗選用3個沖擊電流（I1=2.2 A，I2=2.7 A，I3=3.1 A）和3個沖擊時間（T1=105 s，T2=250 s，T3=400 s），以這兩個參數(shù)組合成9組試驗點（編號I1T1～ I3T3）進行超聲沖擊，然后檢測接頭表面殘余應力，最終得出切割頭齒座焊趾超聲沖擊去應力的最佳參數(shù)，測試參數(shù)如表3所示。

工件表面看作主應力為σ1、σ2的兩項應力狀態(tài)，檢測出各點應變值，并按照下面的公式計算：

其中A、B為釋放系數(shù)

式中 R為應變片敏感柵的中心與孔中心的距離與所鉆孔的半徑之比;μ為泊松比;E為彈性模量;σ1為最大主應力（單位：MPa）;σ2為最小主應力;θ為最大主應力與應變ε1的夾角，應變ε1、應變ε2、應變ε3分別是0°、45°、90°方向的應變值。文中主要分析影響結構性能的最大主應力。

1.2.2 殘余應力測試

采用HK21A應力測試儀分別測試超聲沖擊處理前后焊趾處的殘余應力[5]，鉆孔直徑φ1.5 mm，孔深2 mm，應變片型號為TJ120-1.5-φ1.5，檢測點與焊趾的距離為2 mm，如圖4所示。

每組沖擊參數(shù)分別測量沖擊區(qū)和未沖擊區(qū)3個點，計算時取3個點的平均值。相鄰檢測點的間隔超過20 mm，按照CB 3395-2013《殘余應力測試方法-鉆孔應變釋放法》標準進行。

2 試驗結果與分析

超聲沖擊前的切割頭齒座焊趾應力值及應變值如表4所示?？梢钥闯?，焊趾的最大主應力值均為正值，即拉應力，且最大應力為342 MPa，大于ZG16Mn材料的屈服強度。如果殘余拉應力與工作應力的合力大于齒座或筒體的抗拉強度，會導致焊趾處開裂。

為闡明超聲沖擊后的去應力問題，用消除率 ψ來表達， ψ=（σb-σa）/σ前×100%，σb為超聲沖擊前9個點的最大主應力，σa為超聲沖擊后9個點的最大主應力。超聲沖擊處理結果如表5所示，焊趾最大主應力減小，甚至變?yōu)樨撝?，即壓應力?/p>

由表5、圖5可知，齒座焊趾經(jīng)超聲沖擊后，殘余應力的消除率為68%～122%，應力去除效果較優(yōu)。當電流為2.2 A時，殘余應力消除率只有68%～73%，增加沖擊時間，消除率略微增大，但增幅不超過6%。當提高電流至 2.7 A時，消除率達到80%～93%，較電流為2.2 A時增加19%。增加沖擊時間，消除率略微增大，但增幅不超過16%。當提高電流至 3.1 A后殘余應力均為負值，即壓應力，消除率達到102%～122%，比電流為2.7 A時增加34%，增加沖擊時間，消除率增大，增幅不超過14%。

產(chǎn)生上述結果的主要原因為宏觀上的應力應變及微觀上的位錯結構與晶粒尺寸的變化。超聲沖擊時沖擊針以約20 kHz的頻率在材料表層連續(xù)不斷沖擊，使材料表面產(chǎn)生往復切應力和塑性變形，加速位錯運動，同時由此引起的高應變速率會使位錯大量增殖，并導致位錯來不及運動，晶粒內位錯密度迅速增大[6]，強化超聲沖擊的位置。

當被沖擊表面發(fā)生塑性變形時，會產(chǎn)生加工硬化，導致沖擊區(qū)屈服強度上升，若沖擊力和殘余應力的合力與屈服強度接近時，不會再發(fā)生塑性變形。當增大沖擊電流I，即加大沖擊力及沖擊能量時，才會打破此平衡狀態(tài)。由于超聲沖擊應力波的傳播與疊加，在晶粒內部產(chǎn)生能量的聚集，加快了晶體中原子振動的振幅和頻率，引起部分不易滑移的位錯運動，即發(fā)生超聲軟化，導致屈服強度降低，而且更易塑性變形，并在短時間內產(chǎn)生大深度的晶粒細化層[7]。隨著沖擊時間T的增加，焊接接頭表面塑性變形逐漸穩(wěn)定，當繼續(xù)增加沖擊時間T時，并不會導致塑性變形，微觀位錯結構也不會發(fā)生明顯變化，產(chǎn)生大深度的晶粒細化層增幅降低，因此殘余應力消除率ψ變化較小。因文中選用的 3 個沖擊時間 T1、T2、T3對殘余應力消除率ψ的影響較小，最大增幅不超過16%。效果沒有增大沖擊電流明顯，且單純增加沖擊時間會導致去應力效率降低，增加去應力成本，因此最佳的沖擊時間應不大于250 s。

3 應用實例

徐工工程機械公司生產(chǎn)的隧道掘進機用切割頭齒座與筒體為異種鋼T型接頭焊接，齒座根部焊趾處存在應力集中以及殘余拉應力過大，在硬巖工況施工時切割頭質量反饋率高達8.33%，客戶滿意度低。應用超聲沖擊對齒座根部焊趾處進行去應力處理，外部質量反饋率下降至5.78%，降幅達到30%。

4 結論

切割頭結構件焊腳尺寸很大，殘余應力也很高，且為調質鋼，無法使用熱處理，類似結構件的去應力是工程機械行業(yè)的難題，其焊接質量的提升也是影響產(chǎn)品銷售的關鍵所在。該研究成果對同行有一定的借鑒價值，可以用于巖石切割及掘進設備部分的去應力，提高抗沖擊和疲勞性能，促進地鐵施工、隧道掘進等設備的發(fā)展，為客戶提高切割效率、縮短施工周期。

（1）經(jīng)超聲沖擊處理，切割頭齒座焊趾殘余應力減小，殘余應力消除率為68%～122%。當沖擊電流大于或等于2.7 A時，可在表面形成較大的壓應力。

（2）若固定沖擊時間T，殘余應力消除率會隨沖擊電流I的增大而變大，最大增幅達34%。而當固定沖擊電流I，加大沖擊時間T，消除率變化效果一般，增幅低于16%。

（3）切割頭齒座與筒體焊接接頭超聲沖擊處理的最佳沖擊電流值為 2.7～3.1 A，最佳沖擊時間為不大于250 s。

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