黃華強　李柏松　李志永　王國友

【摘 要】焊接時接頭部位會產(chǎn)生一定焊接殘余應(yīng)力，焊接缺陷容易導(dǎo)致應(yīng)力集中及開裂、本文簡述了焊后焊接殘余應(yīng)力去除應(yīng)用較廣的幾種方法，重點介紹了超聲波沖擊去除應(yīng)力的原理及應(yīng)用場合。

【關(guān)鍵詞】焊接殘余應(yīng)力；消除方法；應(yīng)用場合

中圖分類號： TG663；TG156.92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0029-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.012

Talking about Application of Ultrasonic Stress Relief in Construction Machinery

HUANG Hua-qiang LI Bai-song LI Zhi-yong WANG Guo-you

（XUZHOU XUGONG MINING MACHINERY CO.，LTD， Xuzhou Jiangsu 221100，China）

【Abstract】The welding residual stress is produced in the welding joint， and the welding defects can easily lead to stress concentration and crack.In this paper，several methods of residual stress removal in post welding welding are described.The principle and application of ultrasonic shock removal stress are introduced.

【Key words】Residual stress by welding；Elimination method；Application

1 殘余應(yīng)力產(chǎn)生及危害

結(jié)構(gòu)件在焊接時由于溫度場的不均勻性，焊后會在工件內(nèi)產(chǎn)生殘余應(yīng)力[1]。大量實驗數(shù)據(jù)表明，焊后殘余應(yīng)力的存在會使結(jié)構(gòu)件在微小缺口的位置產(chǎn)生應(yīng)力集中從而發(fā)生脆性斷裂；焊后殘余應(yīng)力還能夠明顯降低疲勞強度，還會降低結(jié)構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性；殘余應(yīng)力還會加劇結(jié)構(gòu)件應(yīng)力腐蝕的速度[2]。

工程機械在工作時，各大部件承受交變載荷，特別是一些大型結(jié)構(gòu)件，因焊接殘余應(yīng)力的存在對其壽命產(chǎn)生明顯的影響，因此如何降低結(jié)構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力成為許多焊接結(jié)構(gòu)件廠家研究的方向。本文主要從焊后減少殘余應(yīng)力的常用方法著手，重點研究超聲波去應(yīng)力的原理及應(yīng)用場合、效果，從而尋求工程機械大型結(jié)構(gòu)件焊接應(yīng)力的消除方案。

2 焊后殘余應(yīng)力主要消除方法

2.1 熱處理時效

從處理工件的面積來說分為整體時效和局部時效。從加熱溫度、保溫時間等工藝方面分為退火處理和回火處理。其優(yōu)點是能夠消除約80%的殘余應(yīng)力，對平衡組織有很大的幫助，缺點就是處理的設(shè)備及能源投入較大，占用的場地較大，處理的時間較長。

2.2 振動時效

振動時效（VSR）就是在激振力的作用下，使用某一頻率使金屬工件共振，使其內(nèi)部殘余應(yīng)力疊加，達(dá)到一定數(shù)值后，在應(yīng)力最集中處，會超過屈服極限而產(chǎn)生微小的塑性變形，降低該處殘余應(yīng)力，并強化金屬基體，這是目前應(yīng)用較多的方法。

2.3 超聲波沖擊時效

超聲沖擊設(shè)備利用大功率的能量推動沖擊頭以每秒約2萬次的頻率沖擊金屬物體表面，高頻、高效和聚焦下的大能量使金屬表層產(chǎn)生較大的壓縮塑性變形；同時超聲沖擊改變了原有的應(yīng)力場，產(chǎn)生有益的壓應(yīng)力；高能量沖擊下金屬表面溫度極速升高又迅速冷卻，使作用區(qū)表層金屬組織發(fā)生變化，沖擊部位得以強化[3]。下圖為經(jīng)超聲波沖擊處理后的焊縫示意圖。

由于熱處理時效其處理的設(shè)備及處理過程的能源消耗方面都較大，對于大型結(jié)構(gòu)件的去應(yīng)力成本過高不適合使用，振動時效去應(yīng)力使用過程中除噪音較大外，其他方面效果較為不錯，因此應(yīng)用廠家較多。而超聲波沖擊能夠很好的處理焊縫焊趾處的殘余應(yīng)力，并產(chǎn)生有利的壓應(yīng)力，對后續(xù)結(jié)構(gòu)件的服役有很大幫助。

3 超聲波去應(yīng)力效果及應(yīng)用場合

（1）在使用超聲波進(jìn)行沖擊處理消除殘余應(yīng)力時，不同沖擊電流和沖擊時間下的接頭焊接殘余應(yīng)力消除效果不同，有實驗表明當(dāng)超聲沖擊時間一定時，提高沖擊電流值可以提高殘余應(yīng)力消除率，但當(dāng)沖擊電流值一定時，提高沖擊時間對消除率并沒有明顯影響。且針對不同位置、不同大小的焊縫，需要選用的沖擊工具也不同。

（2）單面焊雙面成型試件的疲勞壽命試驗結(jié)果則表明超聲波沖擊強化無法實現(xiàn)，主要原因是單面焊雙面成形焊道背面余高控制難度大、成型差，并且易在根部出現(xiàn)熔合不良等缺陷[3]，應(yīng)力集中現(xiàn)象對疲勞壽命的降低掩蓋了超聲波沖擊處理對疲勞壽命的改善；但當(dāng)銑削加工去除了單面焊雙面成形背面余高及熔合不良的影響，超聲沖擊處理后，焊接接頭的疲勞性能又有了明顯提高[4]。同理，坡口間隙小而深的雙面K型焊縫存在類似的問題，K型焊縫單面焊接后，會在另一面形成非常不容易清理的流掛、焊脊（由于K型坡口角度小、間隙小，空間受限），這些容易在K型焊縫根部位置造成未熔合缺陷。

（3）超聲波去應(yīng)力工藝可在礦山機械這種超長壽命的服役要求及惡劣的作業(yè)工況中使用。超聲波沖擊處理焊縫可應(yīng)用在承受較大工作應(yīng)力的外露對接焊縫，以及應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜的交叉焊縫接頭部位、圓弧及折彎成型部位焊縫，內(nèi)部焊縫根據(jù)作業(yè)空間情況，主要處理交叉接頭部位，其余部位不做處理（例如長直角焊縫）。超大型結(jié)構(gòu)件如果具備雙面處理條件，原則上同一焊縫內(nèi)外雙面均須處理。

超聲波沖擊需對每條焊縫進(jìn)行處理，看似較為繁瑣。但對于大型重要的結(jié)構(gòu)件，其處理的意義是巨大的。尤其針對大型結(jié)構(gòu)件，使用超聲波沖擊這種特殊設(shè)備對焊縫處理，對防止后續(xù)的失效、提高結(jié)構(gòu)件的疲勞強度有很好的經(jīng)濟效益，再者對于后續(xù)大型結(jié)構(gòu)件的修復(fù)來說，使用超聲波沖擊處理能夠很好的去處局部焊接修復(fù)應(yīng)力，研究表明超聲沖擊可使鋼制焊接接頭疲勞強度提高60-180%，壽命延長10-135倍；使鋁、鈦有色金屬焊接接頭疲勞強度提高了26-48%，壽命延長了5-45倍，有效改善了焊接接頭及結(jié)構(gòu)的疲勞性能。

4 小結(jié)

對于工況惡劣受力復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)件，可與熱處理及振動時效聯(lián)合使用，最大程度上消除焊后殘余應(yīng)力，優(yōu)化接頭處微觀組織，平衡內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，從而達(dá)到更好的焊后殘余應(yīng)力消除及提升疲勞壽命的目的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]宋天民.焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與消除[M].北京.機械工業(yè)出版社，2005.

[2]趙劍.淺析焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及影響[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（6）：9-9.

[3]李棟.正面隨焊超聲波沖擊對焊接殘余應(yīng)力于變形的影響[D].山東濟南：山東大學(xué)，2014.

[4]張彥華.焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析[D].化學(xué)工業(yè)出版社，2013.