裝載機中的前車架、后車架，挖掘機中的斗桿、動臂等主要連接方式是焊接。在焊接過程中，由于焊接電弧加熱的不均勻性以及材料內(nèi)部等的相變作用，導(dǎo)致焊縫及結(jié)構(gòu)件中存在不同水平的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在，不僅會影響結(jié)構(gòu)件的工藝制造性，如降低構(gòu)件的尺寸和形位精度，導(dǎo)致裝配精度的降低，甚至工件的報廢；而且殘余應(yīng)力還可能導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生塑性變形，進而降低構(gòu)件的疲勞強度和疲勞壽命，使整機喪失部分或全部功能。如果焊接構(gòu)件在機加前沒有進行相應(yīng)的消除焊接應(yīng)力處理，在構(gòu)件服役時會出現(xiàn)殘余應(yīng)力釋放的問題，應(yīng)力的釋放會引起構(gòu)件配合精度的降低，進而導(dǎo)致零部件的異響、異常磨損或失效。因此，尋找合適的消除焊接應(yīng)力的處理工藝并實現(xiàn)批量應(yīng)用，不僅可以提高構(gòu)件和整機的使用壽命，還可以為企業(yè)和用戶節(jié)約了維修、維護的成本。

本文提出了一種新型的消除應(yīng)力方法，就是采用振動時效和超聲沖擊處理組合消除焊接應(yīng)力，并進行了相關(guān)試驗研究。

試驗過程

試驗對象為某型號輪式裝載機的前車架，材質(zhì)主要為Q345，利用焊接機器人進行焊接。試驗時首先對目標(biāo)焊縫進行殘余應(yīng)力測量，然后進行振動時效處理，處理完成后，再次測量目標(biāo)焊縫殘余應(yīng)力值，然后對目標(biāo)焊縫進行超聲沖擊處理，處理完成后進行第三次殘余應(yīng)力測量。

殘余應(yīng)力測量方法采用盲孔法，每條目標(biāo)焊縫測量3個點，測量位置為目標(biāo)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(cè)板上，振動時效處理時間為25min。

進行超聲沖擊處理時，選擇單根沖擊針的沖擊頭，沖擊針直徑為6mm，處理速度控制在200mm/min，處理完成后，焊趾上要處理一條連續(xù)、均勻、光亮的凹槽，凹槽橫截面要保留焊縫一側(cè)的凹槽寬度與母材一側(cè)的凹槽寬度大致相等。

結(jié)果與分析

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

研究認為，焊接結(jié)構(gòu)中存在的殘余拉應(yīng)力不僅會降低結(jié)構(gòu)的壓桿穩(wěn)定性和承載能力，還會降低焊接結(jié)構(gòu)的加工精度、疲勞強度和疲勞壽命。特別是當(dāng)焊縫或鋼結(jié)構(gòu)中存在缺陷時，殘余拉應(yīng)力會加速其失效。但是當(dāng)焊縫中的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力時，其對焊縫的疲勞壽命則是有益的。焊縫中的殘余壓應(yīng)力會減弱應(yīng)力集中的程度，限制或阻礙裂紋的形核及擴展。

結(jié)構(gòu)件經(jīng)過振動時效處理后，其內(nèi)部殘余應(yīng)力的水平一般會降低30%-50%，應(yīng)力水平的降低會減少機加過程中應(yīng)力的釋放量，從而保證了結(jié)構(gòu)件的加工精度，提高了構(gòu)件的裝配精度，為減少異常磨等創(chuàng)造了有利條件。

結(jié)構(gòu)件焊縫經(jīng)過超聲沖擊處理后，焊趾處殘余的拉應(yīng)力被消除，并在焊趾處植入了對提高疲勞壽命有益的壓應(yīng)力。同時，經(jīng)過處理后，焊趾處出現(xiàn)了一條連續(xù)、均勻、光滑的凹槽。這樣，焊趾與母材的過渡就變的平滑，在結(jié)構(gòu)件使用過程中，焊趾處的應(yīng)力集中水平就會降低，進而提高結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命。

因此，在制定結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)工藝時，考慮到生產(chǎn)效率以及運營成本，在批量生產(chǎn)過程中，可以采用振動時效+超聲沖擊處理的復(fù)合工藝，即結(jié)構(gòu)件完成焊接后、機加前，先采用振動時效的方法整體消除焊接應(yīng)力，然后針對設(shè)計仿真時的薄弱焊縫，以及構(gòu)件服役過程中開裂較多的焊縫再進行超聲沖擊處理，從而達到生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的完美結(jié)合。

總結(jié)

本文對某型裝載機前車架進行了消除焊接應(yīng)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(yīng)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(yīng)力，并植入對焊縫及整體結(jié)構(gòu)有益的殘余壓應(yīng)力，同時經(jīng)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(yīng)力集中水平。在實際生產(chǎn)過程中，可以采用振動時效+超聲沖擊的復(fù)合工藝消除焊接應(yīng)力。