振動時效和超聲沖擊在消除裝載機前車架焊接殘余應力中的應用

侯國清，陸 維，覃 劍，李江崟，王國安

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州545007）

振動時效和超聲沖擊在消除裝載機前車架焊接殘余應力中的應用

侯國清，陸 維，覃 劍，李江崟，王國安

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州545007）

采用振動時效+超聲沖擊的處理工藝對裝載機前車架的關鍵焊縫進行了消除焊接殘余應力試驗，得出經振動時效處理以后，焊縫處的殘余應力可以降低30%～50%，而經超聲沖擊處理以后，焊縫中的殘余應力可以100%消除，同時植入對疲勞有益的壓應力，并且可以將焊趾與母材的過渡區域變得平滑，減小焊趾處的應力集中水平。在實際時，可以采用振動時效+超聲波沖擊的復合工藝來消除前車架中的焊接殘余應力，即先用振動時效對前車架整體進行處理，整體消除焊接殘余應力，然后再利用超聲波沖擊針對關鍵焊縫進行消應力處理。

超聲波沖擊；振動時效；殘余應力

焊接是生產工程機械結構件，如裝載機中的前車架、后車架，挖掘機中的斗桿、動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部等的相變作用，導致焊縫及結構件中存在不同水平的殘余應力。殘余應力的存在，不僅影響結構件的工藝制造性，如會降低構件的尺寸和形位精度，導致裝配精度的降低，甚至工件的報廢；而且殘余應力還可能會導致構件產生塑性變形，進而降低構件的疲勞強度和疲勞壽命，使整機喪失部分或全部功能[1-3]。如果焊接構件在機加前沒有進行相應的消應力處理，在構件服役時會出現殘余應力釋放的問題，應力的釋放會引起構件配合精度的降低，進而導致零部件的異響、異常磨損或失效。因此，開發出合適的消除焊接殘余應力的處理工藝并實現批量應用，不僅可以提高構件和整機的使用壽命，也為企業和用戶節約了維修、維護的成本。

焊接過程會產生殘余應力，是焊接過程固有的現象，殘余應力的產生是不可避免的，只能采用焊后的處理措施減小或消除。目前，在實際的生產過程中，常見的消除焊接殘余應力的措施有去應力退火、錘擊法、TIG熔修、噴丸處理等。去應力退火是將工件緩慢加熱到較低溫度（例如，鋼一般是500～650℃），保溫一段時間，使金屬內部發生弛豫，然后緩冷下來。去除應力退火并不能將殘余應力完全去除，而只是部分去除，從而消除它的有害作用。但是，工程機械結構件尺寸較大，需要配置相應尺寸的熱處理爐，投資較大。同時，熱處理過程也需要消耗較大的能量，導致生產成本的提高。錘擊法是指焊后用手錘錘擊焊縫及近縫區，使其產生塑性變形，用來補償或抵消焊接時所產生的壓縮塑性變形，降低焊接殘余應力。錘擊法對于初級的力量、速度均有一定的要求，如果錘擊時力量過大就會引起加工硬化或將焊縫錘裂；如果錘擊力量太小又起不到消除應力的作用，此種方法消除的殘余應力的重復性和再現性較差。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范和工藝對焊趾進行重熔整形，調整焊趾的形貌及殘余應力分布。有研究認為經TIG熔修后，焊縫的疲勞壽命和疲勞強度均會提高[4]；但也有研究發現TIG熔修會引入新的焊接缺陷，導致接頭疲勞壽命降低[5]。噴丸可以對工件進行整體消應力處理，選擇合適的噴丸參數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，對于構件內部的焊縫則無能為力。

本文提出了一種新型的消除焊接結構殘余應力的工藝組合振動時效+超聲沖擊處理，并進行了相關的試驗研究。

1 試驗過程

試驗對象為某型號輪式裝載機的前車架，如圖1所示，材質主要為Q345，利用焊接機器人進行焊接。試驗時首先對目標焊縫的殘余應力水平進行測量，然后進行振動時效處理，處理完成后，再次測量目標焊縫的殘余應力水平，然后對目標焊縫進行超聲沖擊處理，處理完成后第三次測量目標焊縫的殘余應力水平。

圖1 待處理工件及目標焊縫

殘余應力的測量采用盲孔法，每條目標焊縫測量3個點，測量位置為目標焊縫的焊趾處，并在焊縫長度方向上均勻分布；振動時效處理時，激振點選在前車架下鉸接的上板位置處，拾振點選在翼箱的外側板上，如圖2所示。振動時效處理時間為25 min.

圖2 振動時效處理

超聲沖擊消除殘余應力的原理是通過換能器將超聲頻的電流轉換成同頻率的機械振動，這種機械振動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生壓縮塑性變形，以消除拉伸殘余應力，并使得尖銳過渡處曲率半徑變大，降低應力集中系數[7]。經過超聲沖擊處理以后，被處理的焊縫或金屬會產生壓縮塑性變形，并使被沖擊部位得以強化。試驗時，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、均勻、光亮的凹槽，凹槽橫截面要保證焊縫一側的凹槽寬度與母材一側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、后焊趾處的形貌對比

2 試驗結果及分析

表1給出了焊后、振動時效后以及超聲沖擊處理后目標焊縫焊趾處的殘余應力水平。可以看到，焊后目標焊縫的殘余應力均為拉應力，殘余應力水平可以達到材料屈服強度的0.7～0.9倍。經過振動時效處理后，目標焊縫各測點位置處的殘余應力水平有所降低，降低幅度在30%～50%之間，但殘余的應力依然是拉應力。經過超聲沖擊處理以后，目標焊縫中的殘余拉應力被消除，并在焊趾處植入了一定的殘余壓應力。

表1 前車架目標焊縫不同階段的殘余應力水平

研究認為，焊接結構中存在的殘余拉應力不僅會降低結構的壓桿穩定性和承載能力，還會降低焊接結構的加工精度、疲勞強度和疲勞壽命。尤其是當焊縫或鋼結構中存在缺陷時，殘余拉應力會加速其失效。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。焊縫中的殘余壓應力會減弱應力集中的程度，限制或阻礙裂紋的形核及擴展[8-9]。

結構件經過振動時效處理后，其內部殘余應力的水平會普遍降低30%～50%.應力水平的降低會使得機加過程中應力的釋放量減少，這樣就保證了結構件的加工精度，提高了構件的裝配精度，為減少異常磨等創造了有利條件。

結構件焊縫經過超聲沖擊處理后，焊趾處殘余的拉應力被消除，并在焊趾處植入了對提高疲勞壽命有益的壓應力。同時，經過處理后，焊趾處出現了一條連續、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，結構件在服役過程中，焊趾處的應力集中水平就會降低，進而提高結構件的疲勞壽命。

因此，在制定結構件的生產工藝時，考慮到生產效率以及運營成本，在批量生產過程中，可以采用振動時效+超聲沖擊處理的復合工藝，即結構件焊接完成后、機加前，先采用振動時效的方法整體消除部分焊接殘余應力，然后針對設計仿真時的薄弱焊縫，以及構件服役過程中開裂較多的焊縫再進行超聲沖擊處理，進而達到生產效率和生產質量的完美結合。

3 結束語

本文對某型裝載機前車架進行了消除焊接殘余應力的試驗，利用振動時效的方法可以整體消除前車架焊縫的殘余應力，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力，并植入對焊縫及整體結構有益的殘余壓應力，同時經超聲沖擊處理后，焊趾與母材的過渡變得圓滑，降低了焊趾處的應力集中水平。在實際生產過程中，可以采用振動時效+超聲沖擊處理的復合工藝，即結構件焊接完成后、機加前，先采用振動時效的方法整體消除部分焊接殘余應力，然后針對設計仿真時的薄弱焊縫，以及構件服役過程中開裂較多的焊縫再進行超聲沖擊處理。

[1]賀啟良，馬東溟.焊接工藝參數對焊接殘余應力的影響[J].材料研究與應用，2010，4（1）：75-77.

[2]姚 杞，羅 震，羅 輝.焊接工藝對T形接頭構件焊接應力分布的影響[J].焊接技術，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]．天津大學學報，2004，37（7）：570-574．

[5]閆忠杰，劉雪松，方洪淵，等.TIG熔修對7N01鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響[J].焊接學報，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金屬材料殘余應力超聲沖擊處理法[S].北京：國家標準委員會，2016.

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

[9]周金枝.焊接殘余應力對焊接構件疲勞壽命的影響[J].北京科技大學學報，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，主要從事工程機械結構件焊接相關工作；陸 維（1978-），男，廣西柳州人，本科，工程師，主要從事結構設計和焊接工藝優化工作。