裝載機(jī)中的前車架、后車架，挖掘機(jī)中的斗桿、動(dòng)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(huì)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(bào)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(jìn)而降低構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命，使整機(jī)喪失部分或全部功能。如果焊接構(gòu)件在機(jī)加前沒有進(jìn)行相應(yīng)的消除焊接應(yīng)力處理，在構(gòu)件服役時(shí)會(huì)出現(xiàn)殘余應(yīng)力釋放的問題，應(yīng)力的釋放會(huì)引起構(gòu)件配合精度的降低，進(jìn)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(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用，不僅可以提高構(gòu)件和整機(jī)的使用壽命，還可以為企業(yè)和用戶節(jié)約了維修、維護(hù)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(dòng)時(shí)效和超聲沖擊處理組合消除焊接應(yīng)力，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。
試驗(yàn)過程
試驗(yàn)對(duì)象為某型號(hào)輪式裝載機(jī)的前車架，材質(zhì)主要為q345，利用焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接。試驗(yàn)時(shí)首先對(duì)目標(biāo)焊縫進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量，然后進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，處理完成后，再次測(cè)量目標(biāo)焊縫殘余應(yīng)力值，然后對(duì)目標(biāo)焊縫進(jìn)行超聲沖擊處理，處理完成后進(jìn)行第三次殘余應(yīng)力測(cè)量。
殘余應(yīng)力測(cè)量方法采用盲孔法，每條目標(biāo)焊縫測(cè)量3個(gè)點(diǎn)，測(cè)量位置為目標(biāo)焊縫的焊趾處，并在焊縫長(zhǎng)度方向上均勻分布；振動(dòng)時(shí)效處理時(shí)，激振點(diǎn)選在前車架下鉸接的上板位置處，拾振點(diǎn)選在翼箱的外側(cè)板上，振動(dòng)時(shí)效處理時(shí)間為25min。
進(jìn)行超聲沖擊處理時(shí)，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(dòng)時(shí)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(dá)到材料屈服強(qiáng)度的0.7-0.9倍。經(jīng)過振動(dòng)時(shí)效處理后，目標(biāo)焊縫各測(cè)點(diǎn)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(rèn)為，焊接結(jié)構(gòu)中存在的殘余拉應(yīng)力不僅會(huì)降低結(jié)構(gòu)的壓桿穩(wěn)定性和承載能力，還會(huì)降低焊接結(jié)構(gòu)的加工精度、疲勞強(qiáng)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(shí)，殘余拉應(yīng)力會(huì)加速其失效。但是當(dāng)焊縫中的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，其對(duì)焊縫的疲勞壽命則是有益的。焊縫中的殘余壓應(yīng)力會(huì)減弱應(yīng)力集中的程度，限制或阻礙裂紋的形核及擴(kuò)展。
結(jié)構(gòu)件經(jīng)過振動(dòng)時(shí)效處理后，其內(nèi)部殘余應(yīng)力的水平一般會(huì)降低30%-50%，應(yīng)力水平的降低會(huì)減少機(jī)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(duì)提高疲勞壽命有益的壓應(yīng)力。同時(shí)，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(huì)降低，進(jìn)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(shí)，考慮到生產(chǎn)效率以及運(yùn)營成本，在批量生產(chǎn)過程中，可以采用振動(dòng)時(shí)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(jī)加前，先采用振動(dòng)時(shí)效的方法整體消除焊接應(yīng)力，然后針對(duì)設(shè)計(jì)仿真時(shí)的薄弱焊縫，以及構(gòu)件服役過程中開裂較多的焊縫再進(jìn)行超聲沖擊處理，從而達(dá)到生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的*美結(jié)合。
總結(jié)
本文對(duì)某型裝載機(jī)前車架進(jìn)行了消除焊接應(yīng)力的試驗(yàn)，利用振動(dòng)時(shí)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1o0%消除焊縫中的殘余拉應(yīng)力，并植入對(duì)焊縫及整體結(jié)構(gòu)有益的殘余壓應(yīng)力，同時(shí)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(shí)際生產(chǎn)過程中，可以采用振動(dòng)時(shí)效+超聲沖擊的復(fù)合工藝消除焊接應(yīng)力。