超聲波時效消除裝載機動臂焊縫殘余應力

工程機械中的結構件，如裝載機中的動臂、前車架、后車架，挖掘機中的斗桿、動臂、回轉平臺、行走架等，均是通過焊接工藝得到所需的結構形式。由于焊接過程不均勻的加熱作用，在冷卻后導致結構件內部產生不同程度的殘余應力。殘余應力直接影響著結構件的安全性、可靠性和工藝制造性，如：會影響結構件的尺寸精度，為后續(xù)的機械加工帶來困難；殘余應力的存在也會影響結構件的機械強度，使構件容易產生變形，在焊接接頭中產生裂紋等缺陷，進而導致整機喪失部分或全部使用功能，降低使用壽命。由于焊接殘余應力的釋放導致結構件的分中尺寸、開檔尺寸及關鍵孔位尺寸精度下降，進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。這種焊接應力的釋放不僅降低了整機工作的穩(wěn)定性，也極大地增加了企業(yè)及用戶的維護成本。因此，在結構件焊接完成后，機械加工前有必要對結構件進行消除應力處理。

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

試驗工件采用某型輪式裝載機的動臂，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力設備消除焊縫處的殘余應力，一件用振動時效設備消除焊縫處的殘余應力。試驗前，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力，焊縫中心和熱影響處各測三點。

試驗過程中采用聚航科技的JH-Q50超聲波去應力設備對整條焊縫進行沖擊處理，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力進行測量。

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力。激振點選在動臂板一端。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)處的殘余應力。

試驗結果及分析

從處理前后動臂焊縫處殘余應力對比數據可以看出，超聲波沖擊后的動臂、焊縫中心和熱影響區(qū)處的殘余應力均由原來的拉應力變?yōu)閴簯?；振動時效后的動臂、焊縫中心和熱影響區(qū)處的殘余應力還是拉應力。從消除率對比數據可以看出，經超聲波沖擊處理的焊縫，其殘余應力均由壓應力變?yōu)樨摰睦瓚Γ示?/span>100%以上；經振動時效處理的焊縫，其殘余應力在處理前后均為正的拉應力，消除率在30%-50%。

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

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