振动时效和超声冲击在消除装载机前车架焊接残余应力中的应用

侯国清，陆 维，覃 剑，李江崟，王国安

（广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州545007）

振动时效和超声冲击在消除装载机前车架焊接残余应力中的应用

侯国清，陆 维，覃 剑，李江崟，王国安

（广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州545007）

采用振动时效+超声冲击的处理工艺对装载机前车架的关键焊缝进行了消除焊接残余应力试验，得出经振动时效处理以后，焊缝处的残余应力可以降低30%～50%，而经超声冲击处理以后，焊缝中的残余应力可以100%消除，同时植入对疲劳有益的压应力，并且可以将焊趾与母材的过渡区域变得平滑，减小焊趾处的应力集中水平。在实际时，可以采用振动时效+超声波冲击的复合工艺来消除前车架中的焊接残余应力，即先用振动时效对前车架整体进行处理，整体消除焊接残余应力，然后再利用超声波冲击针对关键焊缝进行消应力处理。

超声波冲击；振动时效；残余应力

焊接是生产工程机械结构件，如装载机中的前车架、后车架，挖掘机中的斗杆、动臂等的最主要的连接方式。在焊接过程中，由于焊接电弧加热的不均匀性以期材料内部等的相变作用，导致焊缝及结构件中存在不同水平的残余应力。残余应力的存在，不仅影响结构件的工艺制造性，如会降低构件的尺寸和形位精度，导致装配精度的降低，甚至工件的报废；而且残余应力还可能会导致构件产生塑性变形，进而降低构件的疲劳强度和疲劳寿命，使整机丧失部分或全部功能[1-3]。如果焊接构件在机加前没有进行相应的消应力处理，在构件服役时会出现残余应力释放的问题，应力的释放会引起构件配合精度的降低，进而导致零部件的异响、异常磨损或失效。因此，开发出合适的消除焊接残余应力的处理工艺并实现批量应用，不仅可以提高构件和整机的使用寿命，也为企业和用户节约了维修、维护的成本。

焊接过程会产生残余应力，是焊接过程固有的现象，残余应力的产生是不可避免的，只能采用焊后的处理措施减小或消除。目前，在实际的生产过程中，常见的消除焊接残余应力的措施有去应力退火、锤击法、TIG熔修、喷丸处理等。去应力退火是将工件缓慢加热到较低温度（例如，钢一般是500～650℃），保温一段时间，使金属内部发生弛豫，然后缓冷下来。去除应力退火并不能将残余应力完全去除，而只是部分去除，从而消除它的有害作用。但是，工程机械结构件尺寸较大，需要配置相应尺寸的热处理炉，投资较大。同时，热处理过程也需要消耗较大的能量，导致生产成本的提高。锤击法是指焊后用手锤锤击焊缝及近缝区，使其产生塑性变形，用来补偿或抵消焊接时所产生的压缩塑性变形，降低焊接残余应力。锤击法对于初级的力量、速度均有一定的要求，如果锤击时力量过大就会引起加工硬化或将焊缝锤裂；如果锤击力量太小又起不到消除应力的作用，此种方法消除的残余应力的重复性和再现性较差。TIG熔修是利用普通的钨极氩弧焊在焊趾的特定部位以一定的熔修规范和工艺对焊趾进行重熔整形，调整焊趾的形貌及残余应力分布。有研究认为经TIG熔修后，焊缝的疲劳寿命和疲劳强度均会提高[4]；但也有研究发现TIG熔修会引入新的焊接缺陷，导致接头疲劳寿命降低[5]。喷丸可以对工件进行整体消应力处理，选择合适的喷丸参数可以将接头的疲劳寿命提高1倍[6]，但喷丸处理只能消除外露的焊缝，对于构件内部的焊缝则无能为力。

本文提出了一种新型的消除焊接结构残余应力的工艺组合振动时效+超声冲击处理，并进行了相关的试验研究。

1 试验过程

试验对象为某型号轮式装载机的前车架，如图1所示，材质主要为Q345，利用焊接机器人进行焊接。试验时首先对目标焊缝的残余应力水平进行测量，然后进行振动时效处理，处理完成后，再次测量目标焊缝的残余应力水平，然后对目标焊缝进行超声冲击处理，处理完成后第三次测量目标焊缝的残余应力水平。

图1 待处理工件及目标焊缝

残余应力的测量采用盲孔法，每条目标焊缝测量3个点，测量位置为目标焊缝的焊趾处，并在焊缝长度方向上均匀分布；振动时效处理时，激振点选在前车架下铰接的上板位置处，拾振点选在翼箱的外侧板上，如图2所示。振动时效处理时间为25 min.

图2 振动时效处理

超声冲击消除残余应力的原理是通过换能器将超声频的电流转换成同频率的机械振动，这种机械振动通过冲击针传递到待处理金属表面，使其一定深度的表层金属产生压缩塑性变形，以消除拉伸残余应力，并使得尖锐过渡处曲率半径变大，降低应力集中系数[7]。经过超声冲击处理以后，被处理的焊缝或金属会产生压缩塑性变形，并使被冲击部位得以强化。试验时，选择单根冲击针的冲击头，冲击针直径为6 mm，处理速度控制在200 mm/min.处理完成后，焊趾上要处理出一条连续、均匀、光亮的凹槽，凹槽横截面要保证焊缝一侧的凹槽宽度与母材一侧的凹槽宽度大致相等[7]，如图3所示。超声冲击处理前、后焊缝焊趾处的形貌对比如图4所示。

图3 超声冲击处理后焊趾截面

图4 超声冲击处理前、后焊趾处的形貌对比

2 试验结果及分析

表1给出了焊后、振动时效后以及超声冲击处理后目标焊缝焊趾处的残余应力水平。可以看到，焊后目标焊缝的残余应力均为拉应力，残余应力水平可以达到材料屈服强度的0.7～0.9倍。经过振动时效处理后，目标焊缝各测点位置处的残余应力水平有所降低，降低幅度在30%～50%之间，但残余的应力依然是拉应力。经过超声冲击处理以后，目标焊缝中的残余拉应力被消除，并在焊趾处植入了一定的残余压应力。

表1 前车架目标焊缝不同阶段的残余应力水平

研究认为，焊接结构中存在的残余拉应力不仅会降低结构的压杆稳定性和承载能力，还会降低焊接结构的加工精度、疲劳强度和疲劳寿命。尤其是当焊缝或钢结构中存在缺陷时，残余拉应力会加速其失效。但是当焊缝中的残余应力为压应力时，其对焊缝的疲劳寿命则是有益的。焊缝中的残余压应力会减弱应力集中的程度，限制或阻碍裂纹的形核及扩展[8-9]。

结构件经过振动时效处理后，其内部残余应力的水平会普遍降低30%～50%.应力水平的降低会使得机加过程中应力的释放量减少，这样就保证了结构件的加工精度，提高了构件的装配精度，为减少异常磨等创造了有利条件。

结构件焊缝经过超声冲击处理后，焊趾处残余的拉应力被消除，并在焊趾处植入了对提高疲劳寿命有益的压应力。同时，经过处理后，焊趾处出现了一条连续、均匀、光滑的凹槽，如图3所示，这样焊趾与母材的过渡就变的平滑，结构件在服役过程中，焊趾处的应力集中水平就会降低，进而提高结构件的疲劳寿命。

因此，在制定结构件的生产工艺时，考虑到生产效率以及运营成本，在批量生产过程中，可以采用振动时效+超声冲击处理的复合工艺，即结构件焊接完成后、机加前，先采用振动时效的方法整体消除部分焊接残余应力，然后针对设计仿真时的薄弱焊缝，以及构件服役过程中开裂较多的焊缝再进行超声冲击处理，进而达到生产效率和生产质量的完美结合。

3 结束语

本文对某型装载机前车架进行了消除焊接残余应力的试验，利用振动时效的方法可以整体消除前车架焊缝的残余应力，消除率为30%～50%；采用超声冲击处理的方法可以100%消除焊缝中的残余拉应力，并植入对焊缝及整体结构有益的残余压应力，同时经超声冲击处理后，焊趾与母材的过渡变得圆滑，降低了焊趾处的应力集中水平。在实际生产过程中，可以采用振动时效+超声冲击处理的复合工艺，即结构件焊接完成后、机加前，先采用振动时效的方法整体消除部分焊接残余应力，然后针对设计仿真时的薄弱焊缝，以及构件服役过程中开裂较多的焊缝再进行超声冲击处理。

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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

侯国清（1982-），男，河北沧州人，博士，工程师，主要从事工程机械结构件焊接相关工作；陆 维（1978-），男，广西柳州人，本科，工程师，主要从事结构设计和焊接工艺优化工作。