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在工程机械结构件的生产制造过程中，主要采用 焊接连接的方法。由于焊接过程中，热输入对母材金 属进行了不均匀的加热，形成了热影响区，该区的存 在降低了焊接接头的力学性能，特别是靠近焊缝金属 的粗晶区。热影响区对焊接接头性能的影响主要体现 在两个方面：一是热影响区组织的变化，包括晶粒 长大、脆化等；另一方面是热影响区残余应力的存在。 对于工程机械结构件，在工作过程中，可能会发生残 余拉应力与工作应力叠加，导致材料发生屈服，进而 变形，甚至断裂，发生车毁人亡事故。5 _' Y) Q6 ?* r5 \4 `
超声冲击利用 大功率的能量推动冲击头，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，产生了压应力，进而改善工程机械 结构件热影响区的性能。+ I; A; r4 `# }% Y1 ^: m
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1、实验过程及方法4 g5 p) y R' O) O' B
试验方法与过程 本文采用豪克能HY2050G 超声冲击设备，对工程机械常 用 Q345 材料对接接头热影响区进行超声冲击试验，并 采用盲孔法测量超声冲击处理前后热影响区的应力，研 究不同超声冲击处理工艺下，热影响区残余应力的变化 规律，进而指导工程机械结构件的生产制造。 9 _! ?" U9 N2 @7 w& p8 I
在试验过程中，假设焊接完成后，焊缝两侧热影 响区对称位置的表面残余应力一致，并进行试验验 证。焊接试板尺寸为 400 mm×250 mm×10 mm，焊接 方法采用气体保护焊。对焊接试板焊缝一侧的热影响 区进行全覆盖超声冲击处理，如图 1 所示。超声冲击 处理过程中，冲击频率一定，为 20 kHz，采用 3 个冲 击电流值（I1、I2、I3）及 3 个冲击时间值（t1、t2、t3）， 共 9 组冲击处理工艺参数，如表 1 所示，其中，10# 试验组中不对试板进行冲击处理。 超声冲击处理后，采用型号为 HK21A 的盲孔法 应力测试分别测试焊道两侧热影响区对称位置的 残余应力[7—11]，测试点距离焊趾 2 mm。 & Y6 n+ j* v# Q) Z0 ^
每种超声冲 击处理工艺参数下的试板测试 3 个应力点 1*、2*、 3*，相邻测试点之间的距离大于 20 mm。相应的，另 一侧未冲击热影响区在对称位置测试 3 个点 1、2、3， 如图 1 所示。测试过程包括：应变片的粘贴；接线； 钻孔前对准找正；钻孔测量。
5 B0 L6 R& O6 H( a$ W2 结果与分析 4 a1 ~" {& u6 F E
2 ^2 n% E1 {; |* C) I2.1 无超声冲击处理试板应力测试 ! K3 i3 O) A! O/ q7 k
无超声冲击处理的 10# 试板焊道两侧的应力值及 应变值如表 2 所示。σ1 表示最大主应力，σ2 为最小主 应力，θ 为最大主应力与应变 ε1 的夹角，应变 ε1、应 变 ε2、应变 ε3 分别是 0°、45°、90°方向的应变值。由 于影响材料或焊接结构性能的主要因素是最大主应 力，因此在分析中以最大主应力为研究对象。
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从表 2 可以看出，在测量点 1 位置，焊缝两侧的 最大主应力值相差 11.86 MPa,约为该处最大主应力 值的 3.9%。在测量点 2 位置，焊缝两侧的最大主应 力值相差 23.08 MPa，约为该处最大主应力值的 7.5%。在测量点 3 位置，焊缝两侧的最大主应力值相 差 3.01 MPa，约为该处最大主应力值的 1%。由于焊 缝两侧应力差值不超过最大主应力值的 10%，可以近 似认为未冲击处理的焊缝两侧对称点的应力值相等， 以便对比超声冲击处理前后焊缝两侧的应力值。1 o: C5 M& ~8 o* o$ }
: I4 G0 t. _0 S5 q2.2 超声冲击处理前后应力测试
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采用不同超声冲击工艺参数对试板进行超声冲 击处理后，焊缝两侧热影响区的应力值如图 2 所示。 每种处理工艺测试 3 个点的应力。
# _; H' { r( s4 j' I) ~5 v6 ]为说明超声冲击不同工艺参数对残余应力去除的 影响，采用“消减率 ψ”来表征这一问题，消减率公式为：
ψ=(σ 前-σ 后)/σ 前×100% 式中：σ 前为超声冲击处理前最大主应力，即 1、2、 3 测试点的最大主应力；σ 后为超声冲击处理后最大主应 力，即 1*、2*、3*测试点的最大主应力。
4 A" Z/ ~% T1 |3 v不同参数超 声冲击后，残余应力的消减率如表 3 所示。 - F/ f H2 n* M' Z; i0 n7 f
3结尾% m+ T" Y7 l$ f' i- C7 ^
) M/ \& D/ F% I4 Q0 n7 V1）通过试验验证，可以认为未冲击处理的焊缝 两侧热影响区对称点的应力值相等。
4 J+ |1 R' Q' ?2）超声冲击处理能够将 Q345 对接板热影响区 残余拉应力转变为压应力，对焊接残余应力具有良好 的消除效果，消除率可以达到 88%~130%，从宏观的 应力应变与微观的位错理论能够解释这种现象。 ; H+ w2 V/ V2 F2 X" g* O
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发表于 2019-9-29 17:15:50
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