以往焊接應(yīng)力消除方法大多采用熱處理，但這種方法耗能大、成本高，且大型或者復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)還需專(zhuān)門(mén)的熱處理爐?，F(xiàn)在需要對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)臂進(jìn)行焊接應(yīng)力消除，其長(zhǎng)6.45m，寬1.6m，重2.37t，如果采用熱處理消除殘余應(yīng)力是相當(dāng)困難的。所以需要尋找其他替代方法。振動(dòng)時(shí)效工藝具有投資少、節(jié)約能源、效率高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于大型構(gòu)件。
本次實(shí)驗(yàn)先對(duì)小試板進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效的基礎(chǔ)上，以大型的焊接構(gòu)件作為試驗(yàn)對(duì)象，采用快速、無(wú)損的磁測(cè)法測(cè)定殘余應(yīng)力分布。
動(dòng)臂是挖掘機(jī)工作裝置中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，由于要承受較大的工作載荷，因此在內(nèi)部加了許多筋板，以增大剛性，整個(gè)動(dòng)臂經(jīng)過(guò)多次拼接、焊接而成。主要焊縫有上下蓋板和側(cè)板間的焊縫1，側(cè)板和中梁圓套筒之間的圓形焊縫2。焊縫1采用co2氣體保護(hù)焊，焊絲是H08MnSiA，Φ1.6mm，電流260-300A，焊速6.6mm/s。焊縫2采用手工電弧焊，焊前預(yù)熱100-150℃，焊條是結(jié)506,Φ4mm，焊接電流是160-190A。動(dòng)臂所使用的材料是16Mn鋼。
通過(guò)對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行強(qiáng)度分析，確定在使用過(guò)程中，中梁附近是危險(xiǎn)的截面段。所以，選擇該截面段內(nèi)的兩個(gè)截面進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，了解其殘余應(yīng)力分布狀況。采用磁測(cè)法測(cè)殘余應(yīng)力，所使用的設(shè)備是聚航科技生產(chǎn)的JH-60三維應(yīng)力磁測(cè)系統(tǒng)。
小試板振動(dòng)消除應(yīng)力
在對(duì)動(dòng)臂消除應(yīng)力前，先對(duì)小試板進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效，觀其在平臺(tái)振動(dòng)的情況下，殘余應(yīng)力的變化情況，另外，改變振動(dòng)時(shí)間，觀其效果。
試板是由兩塊16Mn鋼板對(duì)接而成，采用埋弧自動(dòng)焊，焊接規(guī)范如下：開(kāi)坡口的一面先焊，電流550A，焊速6.9mm/s;未開(kāi)坡口面焊接電流為580A，焊速6.8mm/s。
為了驗(yàn)證振動(dòng)時(shí)效效果，要分別檢測(cè)振前、振后殘余應(yīng)力數(shù)值。
將小試板固定在平臺(tái)上，在合適的共振頻率下振動(dòng)15min、35min、50min。根據(jù)峰值處的下降率可以證明，振動(dòng)時(shí)效可以消除殘余應(yīng)力。比較不同振動(dòng)時(shí)間后的效果，殘余應(yīng)力分布是相似的，振動(dòng)時(shí)間35min效果*好。
動(dòng)臂焊接應(yīng)力消除
振動(dòng)消除殘余應(yīng)力的效果是與許多因素有關(guān)的，如振動(dòng)頻率、時(shí)間、動(dòng)應(yīng)力值，結(jié)構(gòu)支撐方式、激振器位置。動(dòng)臂是一個(gè)大型結(jié)構(gòu)，剛性大、重量也大，若將其平躺在地上，無(wú)法達(dá)到*大限度地降低殘余應(yīng)力的目的。另外，從動(dòng)臂工作中實(shí)際受力狀態(tài)考慮，可采用以下支撐方式。
E、F分別是正對(duì)激振器下和中梁孔下蓋板中部的點(diǎn)，在E、F點(diǎn)貼應(yīng)變片，以監(jiān)測(cè)動(dòng)應(yīng)力值及振動(dòng)頻率。
啟動(dòng)電機(jī)，并在合適的共振頻率（65HZ）上振動(dòng)30min，E和F的動(dòng)應(yīng)力值分別為12.9N/mm2和9.3N/mm2。振動(dòng)過(guò)程中，觀察電機(jī)參數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)激振器電樞電流有明顯的下降，說(shuō)明殘余應(yīng)力降低了。
振完后再測(cè)定其殘余應(yīng)力，分析對(duì)比振前、振后殘余應(yīng)力數(shù)值，可以看出峰值處的殘余應(yīng)力下降了。
動(dòng)臂中殘余應(yīng)力的分布及成因
對(duì)動(dòng)臂Ⅰ測(cè)區(qū)的點(diǎn)，縱橫向殘余應(yīng)力都是拉應(yīng)力，縱向殘余應(yīng)力在焊縫附近較大，甚至超過(guò)了屈服極限，橫向殘余應(yīng)力較小。造成這樣殘余應(yīng)力分布的原因是由于焊縫1和焊縫2相距較近，共同收縮，導(dǎo)致兩焊縫之間縱橫向殘余應(yīng)力都成為拉應(yīng)力。對(duì)于Ⅱ測(cè)區(qū)的點(diǎn)，縱向殘余應(yīng)力在焊縫處也達(dá)到屈服。從焊縫1向里，由拉變壓，又變成拉，而橫向殘余應(yīng)力數(shù)值變化不大，這與一般較寬的板在兩邊堆焊時(shí)，殘余應(yīng)力分布情況相似。
振動(dòng)規(guī)范的選擇及振動(dòng)結(jié)果
振動(dòng)頻率：殘余應(yīng)力對(duì)共振振動(dòng)很敏感，因?yàn)榇藭r(shí)能量大，振動(dòng)時(shí)間短，國(guó)內(nèi)外推薦100Hz以下的共振點(diǎn)。
振動(dòng)時(shí)間：應(yīng)分成兩種情況來(lái)考慮。若動(dòng)應(yīng)力較小，許多試驗(yàn)都證明以30min為*佳。若動(dòng)應(yīng)力較大，振動(dòng)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，振動(dòng)循環(huán)的有限幾周內(nèi)殘余應(yīng)力便下降到一定水平，以后再循環(huán)，清除殘余應(yīng)力的效果就不明顯。
振動(dòng)動(dòng)應(yīng)力：振動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)應(yīng)力的選擇很重要。從能量輸入的觀點(diǎn)看，它與輸入的能量有關(guān)。從力學(xué)角度看，動(dòng)應(yīng)力越大，與殘余應(yīng)力相迭加，塑性變大，消除應(yīng)力效果好。但過(guò)大的動(dòng)應(yīng)力，且振動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成疲勞損傷，基于這個(gè)原因和廠家出于安全可靠的要求，在本文中，對(duì)承受動(dòng)載的挖掘機(jī)動(dòng)臂振動(dòng)時(shí)，選用了小于20N/mm2的動(dòng)應(yīng)力。
從殘余應(yīng)力分布圖可以看到，振動(dòng)確實(shí)可以消除部分殘余應(yīng)力，峰值處的殘余應(yīng)力有所下降，個(gè)別點(diǎn)的殘余應(yīng)力有所上升，這是由于應(yīng)力重新分布造成的。
結(jié)論
1. 用磁測(cè)法測(cè)出了動(dòng)臂中的殘余應(yīng)力分布，振動(dòng)時(shí)效前應(yīng)力水平是較高的，處理后明顯降低和均化。
2. 對(duì)給定的對(duì)接試板進(jìn)行振動(dòng)，峰值殘余應(yīng)力有所降低，*佳時(shí)間為35min。對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行振動(dòng)，峰值應(yīng)力也有所下降，個(gè)別點(diǎn)的殘余應(yīng)力有所上升，但幅度很小。
3. 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)，動(dòng)應(yīng)力不宜過(guò)大。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力較大時(shí)，振動(dòng)時(shí)間不能太長(zhǎng)，否則會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成疲勞損傷。
4. 振動(dòng)對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)尺寸是不容懷疑的，可以應(yīng)用到工程中。
