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采用高強(qiáng)度鋼可以提高焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度，目前在鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)和重大工程中得到廣泛應(yīng)用。而使用高強(qiáng)度鋼的同時也會產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力，這是阻礙構(gòu)件疲勞強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能提高的重要因素之一，甚至產(chǎn)生殘余變形。因此，殘余應(yīng)力的消除和均化就變得尤為重要。超聲波去應(yīng)力是一種局部消除焊接應(yīng)力的新方法，本文采用磁測法檢測超聲沖擊前后殘余應(yīng)力大小及變化，分析討論影響超聲沖擊降低殘余應(yīng)力效果的幾種因素。
試驗(yàn)材料、采用儀器
試驗(yàn)構(gòu)件為某大橋梁段主纜上錨箱，材質(zhì)為Q345-A，所選取的沖擊焊縫是吊索耳板（板厚δ=52mm）與橫隔板（板厚δ=24mm）的角焊縫。設(shè)備采用聚航科技生產(chǎn)的JH-Q30液晶超聲波焊接應(yīng)力消除設(shè)備，超聲沖擊工藝要求：壓痕深度（0.5±0.2）mm；壓痕覆蓋率＞90%；試驗(yàn)沖擊頻率20、27.5KHZ；殘余應(yīng)力檢測方法采用磁測法，儀器采用JH-60三維應(yīng)力磁測系統(tǒng)，探頭尺寸為15mm*15mm。
實(shí)驗(yàn)步驟
為了探索影響超聲沖擊降低殘余應(yīng)力效果的幾種因素，本次實(shí)驗(yàn)依次采取以下步驟：
1. 選用超聲頻率20KHz對1號測點(diǎn)焊縫熔合區(qū)、焊趾、母材10mm寬熱影響區(qū)（應(yīng)力測點(diǎn)30*10mm部位除外，以保證測試所需的平整度）進(jìn)行沖擊；對1號測點(diǎn)進(jìn)行0.68、1.23、1.96、2.8mm四種不同深度的殘余應(yīng)力測試，見圖1，觀察沖擊對不同層深的時效效果。
2. 選用27.5KHZ超聲頻率對2號測點(diǎn)焊縫進(jìn)行步驟1)相同的沖擊工藝及應(yīng)力測試方法，測點(diǎn)見圖1，觀察不同頻率的沖擊效果。
3. 48h后對兩個測點(diǎn)進(jìn)行相同方法的殘余應(yīng)力測試，以觀察應(yīng)力是否有反彈現(xiàn)象。
4. 重復(fù)1)、2)操作的沖擊工藝，將沖擊時間延長20min。以觀察延長沖擊時間后的沖擊效果。
試驗(yàn)結(jié)果及分析
通過對4次試驗(yàn)的應(yīng)力測試結(jié)果評價，調(diào)整超聲沖擊工藝參數(shù)對沖擊消除應(yīng)力的影響。
步驟1：選用超聲頻率20KHz沖擊前后不同層深殘余應(yīng)力大小及變化，測試結(jié)果見表1。
表1 試驗(yàn)步驟1的應(yīng)力測試結(jié)果
構(gòu)件狀態(tài) | 層深/mm | |||||||
0.68 | 1.23 | 1.96 | 2.8 | |||||
σx/MPa | σy/MPa | σx/MPa | σy/MPa | σx/MPa | σy/MPa | σx/MPa | σy/MPa | |
沖擊前 | 192 | 366 | 181 | 361 | 180 | 351 | 179 | 346 |
沖擊后 | -28 | -51 | 30 | 21 | 63 | 76 | 91 | 125 |
由表1可知：沖擊前距表層深度3.00mm內(nèi)不同層深的殘余應(yīng)力變化不大，其測值波動范圍只限于應(yīng)力測量的誤差范圍之內(nèi)。沖擊后淺表層應(yīng)力降低幅值*大，產(chǎn)生一定壓應(yīng)力。層深1.96mm與2.8mm時，應(yīng)力下降幅值減小；層深1.23mm與1.96mm層之間的應(yīng)力下降幅值較大，表明在沖擊工藝條件下，沖擊后的塑性變形層在距表層深度1.23mm與1.96mm之間。
試驗(yàn)步驟2：選用30.5KHZ超聲頻率沖擊前后不同層深殘余應(yīng)力大小及變化，測試結(jié)果見表2。
表2 試驗(yàn)步驟2應(yīng)力測試結(jié)果
構(gòu)件狀態(tài) | 層深/mm | |||||||
0.68 | 1.23 | 1.96 | 2.8 | |||||
σx/MPa | σy/MPa | σx/MPa | σy/MPa | σx/MPa | σy/MPa | σx/MPa | σy/MPa | |
沖擊前 | 184 | 344 | 186 | 353 | 122 | 330 | 166 | 341 |
沖擊后 | -59 | -78 | 38 | 12 | 43 | 54 | 83 | 106 |
由表2可知：在30.5KHZ沖擊頻率下，其應(yīng)力變化規(guī)律與試驗(yàn)步驟1基本一致，沖擊后的整體降低幅值較試驗(yàn)步驟一略小。但對于平均應(yīng)力而言，層深1.96、2.8mm處應(yīng)力有相對較大降低幅值，其原因之一與淺表層產(chǎn)生的更低應(yīng)力值有關(guān)，這只能說明30.5KHz沖擊條件下淺表層塑性變形層深度內(nèi)沖擊效果稍好，塑性變形層距表層深度沒有大幅增加，仍在1.23-1.96mm范圍內(nèi)。
試驗(yàn)步驟3：48h后重復(fù)殘余應(yīng)力測試，測試結(jié)果見表3.
表3 試驗(yàn)步驟3應(yīng)力測試結(jié)果
構(gòu)件狀態(tài) | 層深/mm | |||||||
0.68 | 1.23 | 1.96 | 2.8 | |||||
σx/MPa | σy/MPa | σx/MPa | σy/MPa | σx/MPa | σy/MPa | σx/MPa | σy/MPa | |
沖擊后1號 | -34 | -42 | 39 | 28 | 62 | 71 | 95 | 119 |
沖擊后2號 | -55 | -79 | 39 | 12 | 41 | 50 | 89 | 103 |
由表3可知：沖擊48h后應(yīng)力沒有進(jìn)一步釋放，且無反彈現(xiàn)象。其沖擊后兩次應(yīng)力測試結(jié)果差異仍在應(yīng)力測量誤差范圍內(nèi)。
試驗(yàn)步驟4：重復(fù)沖擊工藝，延長沖擊時間20min，測試結(jié)果見表4.
表4 試驗(yàn)步驟4延長沖擊時間后的測試結(jié)果
構(gòu)件狀態(tài) | 層深/mm | |||||||
0.68 | 1.23 | 1.96 | 2.8 | |||||
σx/MPa | σy/MPa | σx/MPa | σy/MPa | σx/MPa | σy/MPa | σx/MPa | σy/MPa | |
沖擊后1號 | -91 | -79 | 14 | 11 | 36 | 59 | 94 | 122 |
沖擊后2號 | -101 | -112 | 9 | -8 | 19 | 13 | 87 | 101 |
由表4可知：在相同沖擊工藝條件下，只延長沖擊時間可一步釋放應(yīng)力，但會損傷表面，塑性變形層距表層深度仍在1.23-1.96mm之間。
結(jié)論
1. 超聲沖擊可有效降低焊縫區(qū)及熱影響區(qū)殘余應(yīng)力，并能產(chǎn)生一定的表面壓應(yīng)力，是局部消除殘余應(yīng)力的理想工藝方法之一。
2. 塑性變形層深度是超聲沖擊的有效時效層深，該層深一般在1.5mm左右，沖擊處理后可有效防止表層裂紋誘發(fā)和擴(kuò)展。
3. 調(diào)整沖擊工藝中頻率及沖擊振幅（變幅桿振幅）可相應(yīng)優(yōu)化沖擊處理效果。而單一延長沖擊時間可進(jìn)一步提高沖擊效果。
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展會城市：株洲市展會時間：2025-05-08