超声波时效消除装载机动臂焊缝残余应力

工程机械中的结构件,如装载机中的动臂、前车架、后车架,挖掘机中的斗杆、动臂、回转平台、行走架等,均是通过焊接工艺得到所需的结构形式。由于焊接过程不均匀的加热作用,在冷却后导致结构件内部产生不同程度的残余应力。残余应力直接影响着结构件的安全性、可靠性和工艺制造性,如：会影响结构件的尺寸精度,为后续的机械加工带来困难;残余应力的存在也会影响结构件的机械强度,使构件容易产生变形,在焊接接头中产生裂纹等缺陷,进而导致整机丧失部分或全部使用功能,降低使用寿命。由于焊接残余应力的释放导致结构件的分中尺寸、开档尺寸及关键孔位尺寸精度下降,进而引起与之配合的零部件磨损或失效,*典型的代表就是装载机动臂板与前车架翼箱上孔连接处的销轴异常磨损和存在异响的问题。这种焊接应力的释放不仅降低了整机工作的稳定性,也极大地增加了企业及用户的维护成本。因此,在结构件焊接完成后,机械加工前有必要对结构件进行消除应力处理。

本文主要介绍了一种消除应力的方法-超声波时效法,为了体现其在消除残余应力方面的优势,与振动时效法进行了相关的对比试验。

试验工件采用某型轮式装载机的动臂,消除的焊缝为动臂板与动臂横梁连接处的环形角焊缝。一件动臂利用超声波去应力设备消除焊缝处的残余应力,一件用振动时效设备消除焊缝处的残余应力。试验前,利用盲孔法分别在两件动臂的焊缝中心和热影响区处测量其焊接残余应力,焊缝中心和热影响处各测三点。

试验过程中采用聚航科技的JH-Q50超声波去应力设备对整条焊缝进行冲击处理,处理单条焊缝的时间大约为10min。处理后利用盲孔法对处理后焊缝处的残余应力进行测量。

为了对比,在另一件动臂上采用振动时效工艺消除焊缝处残余应力。激振点选在动臂板一端。振动时间为25min,振动完成后,利用盲孔法测量焊缝中心和热影响区处的残余应力。

试验结果及分析

从处理前后动臂焊缝处残余应力对比数据可以看出,超声波冲击后的动臂、焊缝中心和热影响区处的残余应力均由原来的拉应力变为压应力;振动时效后的动臂、焊缝中心和热影响区处的残余应力还是拉应力。从消除率对比数据可以看出,经超声波冲击处理的焊缝,其残余应力均由压应力变为负的拉应力,消除率均在100%以上;经振动时效处理的焊缝,其残余应力在处理前后均为正的拉应力,消除率在30%-50%。

研究认为,焊接残余拉应力的存在不仅影响焊缝和钢结构的疲劳强度,同时对疲劳寿命也有明显的影响。尤其是对于焊缝或钢结构中存在缺陷的情况,残余拉应力的存在会加速其失效的过程。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,残余压应力的存在会减弱应力集中的程度,限制或阻碍裂纹的形核及扩展。因此,在制定消除焊缝残余应力工艺时,不仅需要安全消除残余拉应力,还要考虑植入部分压应力。通过以上试验数据,可见超声波时效处理焊缝残余应力的效果要明显优于振动时效。

综合生产效率、成本等方面的因素,在批量生产过程中,可以采用振动时效和超声波时效相结合的工艺,即先用振动时效对工件进行整体消除应力处理。而后,针对工件中的关键焊缝继续采用超声波时效方法消除应力,植入有益的压应力,以达到效率、效益和质量的完美结合。