淺談超聲波去應力在工程機械中的應用

黃華強　李柏松　李志永　王國友

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

【關鍵詞】焊接殘余應力；消除方法；應用場合

中圖分類號： TG663；TG156.92 文獻標識碼： 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 殘余應力產生及危害

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

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

2 焊后殘余應力主要消除方法

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%的殘余應力，對平衡組織有很大的幫助，缺點就是處理的設備及能源投入較大，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，使其內部殘余應力疊加，達到一定數值后，在應力最集中處，會超過屈服極限而產生微小的塑性變形，降低該處殘余應力，并強化金屬基體，這是目前應用較多的方法。

2.3 超聲波沖擊時效

超聲沖擊設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生較大的壓縮塑性變形；同時超聲沖擊改變了原有的應力場，產生有益的壓應力；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備及處理過程的能源消耗方面都較大，對于大型結構件的去應力成本過高不適合使用，振動時效去應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力，并產生有利的壓應力，對后續(xù)結構件的服役有很大幫助。

3 超聲波去應力效果及應用場合

（1）在使用超聲波進行沖擊處理消除殘余應力時，不同沖擊電流和沖擊時間下的接頭焊接殘余應力消除效果不同，有實驗表明當超聲沖擊時間一定時，提高沖擊電流值可以提高殘余應力消除率，但當沖擊電流值一定時，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果則表明超聲波沖擊強化無法實現，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，并且易在根部出現熔合不良等缺陷[3]，應力集中現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用在承受較大工作應力的外露對接焊縫，以及應力狀態(tài)較為復雜的交叉焊縫接頭部位、圓弧及折彎成型部位焊縫，內部焊縫根據作業(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）。超大型結構件如果具備雙面處理條件，原則上同一焊縫內外雙面均須處理。

超聲波沖擊需對每條焊縫進行處理，看似較為繁瑣。但對于大型重要的結構件，其處理的意義是巨大的。尤其針對大型結構件，使用超聲波沖擊這種特殊設備對焊縫處理，對防止后續(xù)的失效、提高結構件的疲勞強度有很好的經濟效益，再者對于后續(xù)大型結構件的修復來說，使用超聲波沖擊處理能夠很好的去處局部焊接修復應力，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構的疲勞性能。

4 小結

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

【參考文獻】

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

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

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

[4]張彥華.焊接結構疲勞分析[D].化學工業(yè)出版社，2013.