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在工程機械結構件的生產制造過程中，主要采用 焊接連接的方法。由于焊接過程中，熱輸入對母材金 屬進行了不均勻的加熱，形成了熱影響區，該區的存 在降低了焊接接頭的力學性能，特別是靠近焊縫金屬 的粗晶區。熱影響區對焊接接頭性能的影響主要體現 在兩個方面：一是熱影響區組織的變化，包括晶粒 長大、脆化等；另一方面是熱影響區殘余應力的存在。 對于工程機械結構件，在工作過程中，可能會發生殘 余拉應力與工作應力疊加，導致材料發生屈服，進而 變形，甚至斷裂，發生車毀人亡事故。9 r/ E8 G6 K( E& H
超聲沖擊利用 大功率的能量推動沖擊頭，以每秒約 2 萬次的頻率沖 擊金屬物體表面，高頻、高效和聚焦下的大能量使金 屬表層產生較大的壓縮塑性變形，同時超聲沖擊改變 了原有的應力場，產生了壓應力，進而改善工程機械 結構件熱影響區的性能。
" _" I0 }; @6 x- {9 m 8 c' T& {5 M) q1 Q* Q3 t- Y, J5 ?
1、實驗過程及方法
; F3 m" p* w" B F7 {試驗方法與過程 本文采用豪克能HY2050G 超聲沖擊設備，對工程機械常 用 Q345 材料對接接頭熱影響區進行超聲沖擊試驗，并 采用盲孔法測量超聲沖擊處理前后熱影響區的應力，研 究不同超聲沖擊處理工藝下，熱影響區殘余應力的變化 規律，進而指導工程機械結構件的生產制造。
% A6 }; x; y: Q+ Q9 c6 j0 @! Y- E' p在試驗過程中，假設焊接完成后，焊縫兩側熱影 響區對稱位置的表面殘余應力一致，并進行試驗驗 證。焊接試板尺寸為 400 mm×250 mm×10 mm，焊接 方法采用氣體保護焊。對焊接試板焊縫一側的熱影響 區進行全覆蓋超聲沖擊處理，如圖 1 所示。超聲沖擊 處理過程中，沖擊頻率一定，為 20 kHz，采用 3 個沖 擊電流值（I1、I2、I3）及 3 個沖擊時間值（t1、t2、t3）， 共 9 組沖擊處理工藝參數，如表 1 所示，其中，10# 試驗組中不對試板進行沖擊處理。 超聲沖擊處理后，采用型號為 HK21A 的盲孔法 應力測試分別測試焊道兩側熱影響區對稱位置的 殘余應力[7—11]，測試點距離焊趾 2 mm。
$ w' k4 q) x" q2 T* Z3 @每種超聲沖 擊處理工藝參數下的試板測試 3 個應力點 1*、2*、 3*，相鄰測試點之間的距離大于 20 mm。相應的，另 一側未沖擊熱影響區在對稱位置測試 3 個點 1、2、3， 如圖 1 所示。測試過程包括：應變片的粘貼；接線； 鉆孔前對準找正；鉆孔測量。
- T4 _6 T8 f5 T. `/ V* {2 結果與分析
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7 v+ p+ \, F# q+ T. p, H2.1 無超聲沖擊處理試板應力測試 + D/ V: l9 f- C) M8 y- C t( c- C& z5 t
無超聲沖擊處理的 10# 試板焊道兩側的應力值及 應變值如表 2 所示。σ1 表示最大主應力，σ2 為最小主 應力，θ 為最大主應力與應變 ε1 的夾角，應變 ε1、應 變 ε2、應變 ε3 分別是 0°、45°、90°方向的應變值。由 于影響材料或焊接結構性能的主要因素是最大主應 力，因此在分析中以最大主應力為研究對象。
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從表 2 可以看出，在測量點 1 位置，焊縫兩側的 最大主應力值相差 11.86 MPa,約為該處最大主應力 值的 3.9%。在測量點 2 位置，焊縫兩側的最大主應 力值相差 23.08 MPa，約為該處最大主應力值的 7.5%。在測量點 3 位置，焊縫兩側的最大主應力值相 差 3.01 MPa，約為該處最大主應力值的 1%。由于焊 縫兩側應力差值不超過最大主應力值的 10%，可以近 似認為未沖擊處理的焊縫兩側對稱點的應力值相等， 以便對比超聲沖擊處理前后焊縫兩側的應力值。
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1 Q0 v$ W7 @+ I. J) Z2.2 超聲沖擊處理前后應力測試+ p6 I% w4 s$ O% Q- b
5 V# V' R- C3 R b5 `& i& }8 F X采用不同超聲沖擊工藝參數對試板進行超聲沖 擊處理后，焊縫兩側熱影響區的應力值如圖 2 所示。 每種處理工藝測試 3 個點的應力。
) u7 @9 T$ X( r為說明超聲沖擊不同工藝參數對殘余應力去除的 影響，采用“消減率 ψ”來表征這一問題，消減率公式為：
ψ=(σ 前-σ 后)/σ 前×100% 式中：σ 前為超聲沖擊處理前最大主應力，即 1、2、 3 測試點的最大主應力；σ 后為超聲沖擊處理后最大主應 力，即 1*、2*、3*測試點的最大主應力。. A2 ?) Y3 g8 G, [/ S; m4 j' q7 F
不同參數超 聲沖擊后，殘余應力的消減率如表 3 所示。 # E' Z2 h) ^3 d" _3 a8 ~1 r
3結尾+ y& u0 @( j: H' i& ?2 ^5 J9 C4 D4 [
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1）通過試驗驗證，可以認為未沖擊處理的焊縫 兩側熱影響區對稱點的應力值相等。+ o) M) c9 b9 H8 m# v" i2 y3 u
2）超聲沖擊處理能夠將 Q345 對接板熱影響區 殘余拉應力轉變為壓應力，對焊接殘余應力具有良好 的消除效果，消除率可以達到 88%~130%，從宏觀的 應力應變與微觀的位錯理論能夠解釋這種現象。
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發表于 2019-9-29 17:15:50
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