本文以Q345鋼結(jié)構(gòu)箱型柱為測(cè)試對(duì)象，對(duì)電渣焊和埋弧焊兩種焊縫進(jìn)行超聲波消除應(yīng)力處理，研究超聲沖擊工藝對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響。其中埋弧焊焊縫采用全覆蓋沖擊和焊趾沖擊兩種沖擊工藝，并對(duì)不同超聲波沖擊方法的焊縫進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量，了解分析超聲波時(shí)效與殘余應(yīng)力變化的規(guī)律，判斷此工藝的應(yīng)用價(jià)值。
試件焊接結(jié)構(gòu)
試驗(yàn)用的焊接結(jié)構(gòu)是一個(gè)帶有連接塊的箱型柱，它是某建造中電視塔的一段，整個(gè)塔由多段箱型柱焊接而成。箱型柱由80mm厚度的Q345鋼板采用埋弧焊焊接而成，在有連接塊區(qū)域采用全熔透埋弧焊，其他區(qū)域采用非熔透埋弧焊。柱內(nèi)有筋板，采用埋弧焊與箱型柱板焊接，筋板與箱型柱封口垂直焊縫采用電渣焊。連接塊與箱型柱也采用埋弧焊焊接，它用于與其它柱進(jìn)行螺栓連接。
超聲波去應(yīng)力工藝
設(shè)備采用聚航科技生產(chǎn)的JH-Q50超聲沖擊去應(yīng)力設(shè)備，進(jìn)行了焊趾沖擊和全覆蓋沖擊兩種工藝試驗(yàn)。沖擊時(shí)設(shè)備工作電流為1.3-1.6A，振動(dòng)頻率約20KHz，沖擊效率為3.6cm2/min。焊趾沖擊是指僅對(duì)焊趾進(jìn)行三排線狀滑移沖擊；全覆蓋沖擊是指對(duì)全焊道進(jìn)行平面游動(dòng)沖擊，母材區(qū)受沖擊寬度為3-5mm。
殘余應(yīng)力測(cè)量方法
采用盲孔法進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力測(cè)量，儀器采用聚航科技的JHMK殘余應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)。對(duì)于埋弧焊焊縫，測(cè)量點(diǎn)位在焊縫中心位置。對(duì)于電渣焊焊縫，由于焊縫位于箱型柱內(nèi)部，因此，只測(cè)量封口處焊縫截面上殘余應(yīng)力。
焊后殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果
對(duì)焊后箱型柱上的埋弧焊和電渣焊焊縫進(jìn)行了初始焊接殘余應(yīng)力測(cè)量。電渣焊測(cè)點(diǎn)設(shè)在立焊封口處，熔池呈方孔狀，故測(cè)點(diǎn)在實(shí)際焊縫的斷面上，受四邊母材的拘束，應(yīng)力呈平面雙向拉伸狀況。由于電渣焊焊速低，熱輸入量大，焊縫溫度下降較慢；焊后拉應(yīng)力帶比較寬，但應(yīng)力水平不是很高；焊接完成后，還需把封口堆高打磨到母材的平面，故其焊接殘余應(yīng)力進(jìn)一步削降，測(cè)得σmax=170MPa，σmin=124MPa，σx=145MPa，σy=148MPa，屬正常的分布。
在連接塊附近的埋弧焊是全熔透焊縫，按一般規(guī)律，σmax及σx可達(dá)到母材的σs，對(duì)Q345鋼約為350MPa，測(cè)得σmax=238MPa，σx=190MPa，低于一般狀況；造成殘余應(yīng)力不高的原因是；箱型柱在埋弧焊完成后，尚需進(jìn)行對(duì)內(nèi)筋板的電渣焊及連接塊的焊接。由于后期焊道的多次熱應(yīng)變作用，該焊縫的殘余應(yīng)力峰值必然會(huì)下降。
在無連接塊的箱型柱部位，采用非熔透埋弧焊，熔透深度約為板厚的1/2，按一般規(guī)律，σmax及σx也可達(dá)到母材的σs，對(duì)Q345鋼約為350MPa，σy在三分之一的σs水平，約為120MPa。測(cè)量結(jié)果為σmax=339MPa，σx=332MPa；σy=116MPa，與理論規(guī)律十分一致。
焊縫超聲沖擊消應(yīng)力效果分析
對(duì)電渣焊封口焊縫和全透埋弧焊焊縫進(jìn)行了全覆蓋沖擊，沖擊前后測(cè)點(diǎn)的距離約為50-100mm；對(duì)非熔透埋弧焊焊縫進(jìn)行了三種工藝試驗(yàn)；未沖擊、焊趾沖擊與全沖擊；三種工藝間的測(cè)點(diǎn)距離為200mm和100mm，以分離不同工藝的相互影響。
電渣焊焊縫
由電渣焊縫沖擊前后殘余應(yīng)力結(jié)果顯示超聲沖擊處理可以在焊縫表面形成壓應(yīng)力。由于電渣焊封口平面與母材平面齊平，沖擊使電渣焊縫截面上表面形成一壓應(yīng)力薄層，使原始應(yīng)力發(fā)生明顯變化，測(cè)量了一個(gè)深度打磨點(diǎn)和二個(gè)淺度打磨點(diǎn)的殘余應(yīng)力，得到?jīng)_擊后平均應(yīng)力為σmax=-49MPa，下降值為219MPa，下降率為129%。
埋弧焊的焊趾沖擊
僅對(duì)埋弧焊的焊趾進(jìn)行沖擊，測(cè)點(diǎn)設(shè)在焊縫中央，距熔合線距離為22.5MM；由于測(cè)點(diǎn)表面沒有收到?jīng)_擊，故測(cè)量結(jié)果反映了焊趾沖擊后的擴(kuò)散效果。這里包括二個(gè)方面作用，一方面焊趾沖擊可以在熔合線處形成塑性壓應(yīng)變，這可以從電渣焊沖擊的效果推斷，壓縮變形對(duì)周邊原始應(yīng)力分布的重新調(diào)整作用；另一方面超聲沖擊產(chǎn)生的類似振動(dòng)時(shí)效的作用也使殘余應(yīng)力變化。沖擊前后應(yīng)力變化見表1，結(jié)果表明；超聲波對(duì)焊趾的沖擊，不僅能提高焊趾的應(yīng)力集中，而且對(duì)焊縫產(chǎn)生一定的消應(yīng)力效果，對(duì)σmax的消除值為36-97MPa，平均為64MPa。通常情況下，焊趾是疲勞的裂紋區(qū)域之一，故焊趾沖擊可以改善焊趾應(yīng)力集中，提高焊接接頭的疲勞壽命。
埋弧焊的全覆蓋沖擊
全覆蓋沖擊的消應(yīng)力效果包括由于沖擊生成的表面壓應(yīng)力對(duì)原始應(yīng)力分布的調(diào)整以及超聲振動(dòng)時(shí)效的作用，其表面為生成壓應(yīng)力的薄層。但由于粘貼應(yīng)變片的平面大于2cm*2cm，故需對(duì)焊縫中心圓弧凸起及沖擊糙面進(jìn)行打磨，打磨深度估計(jì)為1-2mm，且鉆孔深度為2mm，測(cè)量結(jié)果反映了一定深度的應(yīng)力水平，測(cè)量結(jié)果見表2。
綜合表1、表2結(jié)果可知，對(duì)非熔透埋弧焊，沖擊前原始應(yīng)力水平σmax=339MPa；沖擊后σmax=224MPa，消應(yīng)力值為115MPa，消應(yīng)力效果為34%。對(duì)熔透埋弧焊，沖擊前原始應(yīng)力水平為238MPa，沖擊后σmax=107MPa，消應(yīng)力值為131MPa，消應(yīng)力效果為55%。由于表面打磨的影響，埋弧焊焊縫上未檢測(cè)到壓應(yīng)力，但通過埋弧焊的測(cè)量結(jié)果及與電渣焊的比較，可知壓應(yīng)力層應(yīng)該處于焊縫的淺表面，它對(duì)近表面的拉應(yīng)力有明顯的消除效果。
結(jié)論
1. 立柱電渣焊封口，殘余應(yīng)力呈平面雙向均拉狀況，有σmax=170MPa，σmin=124MPa，σx=145MPa，σy=148MPa，屬于正常的分布。在連接塊附近的全熔透埋弧焊，受后期焊道的多次熱應(yīng)變作用，殘余應(yīng)力不高，σmax=238MPa，σx=190MPa，低于一般狀況。其他區(qū)域采用非熔透埋弧焊，σmax=339MPa，σx=332MPa，σy=116MPa，與理論分布規(guī)律十分一致。
2. 采用超聲波技術(shù)消除應(yīng)力，可以在焊縫表面形成壓應(yīng)力層，超聲沖擊對(duì)一定深度的表層有消除應(yīng)力的效果，在采用對(duì)焊道全覆蓋沖擊時(shí)，對(duì)2-4mm深度層消應(yīng)力效果可達(dá)34%-55%。
3. 采用焊趾沖擊法，可以修復(fù)焊趾的缺陷，降低應(yīng)力集中。并伴隨其壓應(yīng)力區(qū)的作用可以在一定程度上降低未受沖擊焊縫的殘余應(yīng)力，下降率達(dá)30%。
