浅谈超声波去应力在工程机械中的应用

黄华强　李柏松　李志永　王国友

【摘 要】焊接时接头部位会产生一定焊接残余应力，焊接缺陷容易导致应力集中及开裂、本文简述了焊后焊接残余应力去除应用较广的几种方法，重点介绍了超声波冲击去除应力的原理及应用场合。

【关键词】焊接残余应力；消除方法；应用场合

中图分类号： TG663；TG156.92 文献标识码： A 文章编号： 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 残余应力产生及危害

结构件在焊接时由于温度场的不均匀性，焊后会在工件内产生残余应力[1]。大量实验数据表明，焊后残余应力的存在会使结构件在微小缺口的位置产生应力集中从而发生脆性断裂；焊后残余应力还能够明显降低疲劳强度，还会降低结构件的尺寸稳定性；残余应力还会加剧结构件应力腐蚀的速度[2]。

工程机械在工作时，各大部件承受交变载荷，特别是一些大型结构件，因焊接残余应力的存在对其寿命产生明显的影响，因此如何降低结构件的焊接残余应力成为许多焊接结构件厂家研究的方向。本文主要从焊后减少残余应力的常用方法着手，重点研究超声波去应力的原理及应用场合、效果，从而寻求工程机械大型结构件焊接应力的消除方案。

2 焊后残余应力主要消除方法

2.1 热处理时效

从处理工件的面积来说分为整体时效和局部时效。从加热温度、保温时间等工艺方面分为退火处理和回火处理。其优点是能够消除约80%的残余应力，对平衡组织有很大的帮助，缺点就是处理的设备及能源投入较大，占用的场地较大，处理的时间较长。

2.2 振动时效

振动时效（VSR）就是在激振力的作用下，使用某一频率使金属工件共振，使其内部残余应力叠加，达到一定数值后，在应力最集中处，会超过屈服极限而产生微小的塑性变形，降低该处残余应力，并强化金属基体，这是目前应用较多的方法。

2.3 超声波冲击时效

超声冲击设备利用大功率的能量推動冲击头以每秒约2万次的频率冲击金属物体表面，高频、高效和聚焦下的大能量使金属表层产生较大的压缩塑性变形；同时超声冲击改变了原有的应力场，产生有益的压应力；高能量冲击下金属表面温度极速升高又迅速冷却，使作用区表层金属组织发生变化，冲击部位得以强化[3]。下图为经超声波冲击处理后的焊缝示意图。

由于热处理时效其处理的设备及处理过程的能源消耗方面都较大，对于大型结构件的去应力成本过高不适合使用，振动时效去应力使用过程中除噪音较大外，其他方面效果较为不错，因此应用厂家较多。而超声波冲击能够很好的处理焊缝焊趾处的残余应力，并产生有利的压应力，对后续结构件的服役有很大帮助。

3 超声波去应力效果及应用场合

（1）在使用超声波进行冲击处理消除残余应力时，不同冲击电流和冲击时间下的接头焊接残余应力消除效果不同，有实验表明当超声冲击时间一定时，提高冲击电流值可以提高残余应力消除率，但当冲击电流值一定时，提高冲击时间对消除率并没有明显影响。且针对不同位置、不同大小的焊缝，需要选用的冲击工具也不同。

（2）单面焊双面成型试件的疲劳寿命试验结果则表明超声波冲击强化无法实现，主要原因是单面焊双面成形焊道背面余高控制难度大、成型差，并且易在根部出现熔合不良等缺陷[3]，应力集中现象对疲劳寿命的降低掩盖了超声波冲击处理对疲劳寿命的改善；但当铣削加工去除了单面焊双面成形背面余高及熔合不良的影响，超声冲击处理后，焊接接头的疲劳性能又有了明显提高[4]。同理，坡口间隙小而深的双面K型焊缝存在类似的问题，K型焊缝单面焊接后，会在另一面形成非常不容易清理的流挂、焊脊（由于K型坡口角度小、间隙小，空间受限），这些容易在K型焊缝根部位置造成未熔合缺陷。

（3）超声波去应力工艺可在矿山机械这种超长寿命的服役要求及恶劣的作业工况中使用。超声波冲击处理焊缝可应用在承受较大工作应力的外露对接焊缝，以及应力状态较为复杂的交叉焊缝接头部位、圆弧及折弯成型部位焊缝，内部焊缝根据作业空间情况，主要处理交叉接头部位，其余部位不做处理（例如长直角焊缝）。超大型结构件如果具备双面处理条件，原则上同一焊缝内外双面均须处理。

超声波冲击需对每条焊缝进行处理，看似较为繁琐。但对于大型重要的结构件，其处理的意义是巨大的。尤其针对大型结构件，使用超声波冲击这种特殊设备对焊缝处理，对防止后续的失效、提高结构件的疲劳强度有很好的经济效益，再者对于后续大型结构件的修复来说，使用超声波冲击处理能够很好的去处局部焊接修复应力，研究表明超声冲击可使钢制焊接接头疲劳强度提高60-180%，寿命延长10-135倍；使铝、钛有色金属焊接接头疲劳强度提高了26-48%，寿命延长了5-45倍，有效改善了焊接接头及结构的疲劳性能。

4 小结

对于工况恶劣受力复杂的大型结构件，可与热处理及振动时效联合使用，最大程度上消除焊后残余应力，优化接头处微观组织，平衡内部应力状态，从而达到更好的焊后残余应力消除及提升疲劳寿命的目的。

【参考文献】

[1]宋天民.焊接残余应力的产生与消除[M].北京.机械工业出版社，2005.

[2]赵剑.浅析焊接残余应力的产生及影响[J].山东工业技术，2016（6）：9-9.

[3]李栋.正面随焊超声波冲击对焊接残余应力于变形的影响[D].山东济南：山东大学，2014.

[4]张彦华.焊接结构疲劳分析[D].化学工业出版社，2013.