采用高強(qiáng)度鋼可以提高焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度，目前在鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)和重大工程中得到廣泛應(yīng)用。而使用高強(qiáng)度鋼的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力，這是阻礙構(gòu)件疲勞強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能提高的重要因素之一，甚至產(chǎn)生殘余變形。因此，殘余應(yīng)力的消除和均化就變得尤為重要。超聲波去應(yīng)力是一種局部消除焊接應(yīng)力的新方法，本文采用磁測(cè)法檢測(cè)超聲沖擊前后殘余應(yīng)力大小及變化，分析討論影響超聲沖擊降低殘余應(yīng)力效果的幾種因素。

試驗(yàn)材料、采用儀器

試驗(yàn)構(gòu)件為某大橋梁段主纜上錨箱，材質(zhì)為Q345-A，所選取的沖擊焊縫是吊索耳板（板厚δ=52mm）與橫隔板（板厚δ=24mm）的角焊縫。設(shè)備采用聚航科技生產(chǎn)的JH-Q30液晶超聲波焊接應(yīng)力消除設(shè)備，超聲沖擊工藝要求：壓痕深度（0.5±0.2）mm；壓痕覆蓋率＞90%；試驗(yàn)沖擊頻率20、27.5KHZ；殘余應(yīng)力檢測(cè)方法采用磁測(cè)法，儀器采用JH-60三維應(yīng)力磁測(cè)系統(tǒng)，探頭尺寸為15mm*15mm。

實(shí)驗(yàn)步驟

為了探索影響超聲沖擊降低殘余應(yīng)力效果的幾種因素，本次實(shí)驗(yàn)依次采取以下步驟：

1. 選用超聲頻率20KHz對(duì)1號(hào)測(cè)點(diǎn)焊縫熔合區(qū)、焊趾、母材10mm寬熱影響區(qū)（應(yīng)力測(cè)點(diǎn)30*10mm部位除外，以保證測(cè)試所需的平整度）進(jìn)行沖擊；對(duì)1號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行0.68、1.23、1.96、2.8mm四種不同深度的殘余應(yīng)力測(cè)試，見(jiàn)圖1，觀察沖擊對(duì)不同層深的時(shí)效效果。

2. 選用27.5KHZ超聲頻率對(duì)2號(hào)測(cè)點(diǎn)焊縫進(jìn)行步驟1)相同的沖擊工藝及應(yīng)力測(cè)試方法，測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖1，觀察不同頻率的沖擊效果。

3. 48h后對(duì)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行相同方法的殘余應(yīng)力測(cè)試，以觀察應(yīng)力是否有反彈現(xiàn)象。

4. 重復(fù)1)、2)操作的沖擊工藝，將沖擊時(shí)間延長(zhǎng)20min。以觀察延長(zhǎng)沖擊時(shí)間后的沖擊效果。

試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)對(duì)4次試驗(yàn)的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)，調(diào)整超聲沖擊工藝參數(shù)對(duì)沖擊消除應(yīng)力的影響。

步驟1：選用超聲頻率20KHz沖擊前后不同層深殘余應(yīng)力大小及變化，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1  試驗(yàn)步驟1的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

由表1可知：沖擊前距表層深度3.00mm內(nèi)不同層深的殘余應(yīng)力變化不大，其測(cè)值波動(dòng)范圍只限于應(yīng)力測(cè)量的誤差范圍之內(nèi)。沖擊后淺表層應(yīng)力降低幅值最大，產(chǎn)生一定壓應(yīng)力。層深1.96mm與2.8mm時(shí)，應(yīng)力下降幅值減小；層深1.23mm與1.96mm層之間的應(yīng)力下降幅值較大，表明在沖擊工藝條件下，沖擊后的塑性變形層在距表層深度1.23mm與1.96mm之間。

試驗(yàn)步驟2：選用30.5KHZ超聲頻率沖擊前后不同層深殘余應(yīng)力大小及變化，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2  試驗(yàn)步驟2應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

由表2可知：在30.5KHZ沖擊頻率下，其應(yīng)力變化規(guī)律與試驗(yàn)步驟1基本一致，沖擊后的整體降低幅值較試驗(yàn)步驟一略小。但對(duì)于平均應(yīng)力而言，層深1.96、2.8mm處應(yīng)力有相對(duì)較大降低幅值，其原因之一與淺表層產(chǎn)生的更低應(yīng)力值有關(guān)，這只能說(shuō)明30.5KHz沖擊條件下淺表層塑性變形層深度內(nèi)沖擊效果稍好，塑性變形層距表層深度沒(méi)有大幅增加，仍在1.23-1.96mm范圍內(nèi)。

試驗(yàn)步驟3：48h后重復(fù)殘余應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3.

表3  試驗(yàn)步驟3應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

由表3可知：沖擊48h后應(yīng)力沒(méi)有進(jìn)一步釋放，且無(wú)反彈現(xiàn)象。其沖擊后兩次應(yīng)力測(cè)試結(jié)果差異仍在應(yīng)力測(cè)量誤差范圍內(nèi)。

試驗(yàn)步驟4：重復(fù)沖擊工藝，延長(zhǎng)沖擊時(shí)間20min，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4.

表4  試驗(yàn)步驟4延長(zhǎng)沖擊時(shí)間后的測(cè)試結(jié)果

由表4可知：在相同沖擊工藝條件下，只延長(zhǎng)沖擊時(shí)間可一步釋放應(yīng)力，但會(huì)損傷表面，塑性變形層距表層深度仍在1.23-1.96mm之間。

結(jié)論

1. 超聲沖擊可有效降低焊縫區(qū)及熱影響區(qū)殘余應(yīng)力，并能產(chǎn)生一定的表面壓應(yīng)力，是局部消除殘余應(yīng)力的理想工藝方法之一。

2. 塑性變形層深度是超聲沖擊的有效時(shí)效層深，該層深一般在1.5mm左右，沖擊處理后可有效防止表層裂紋誘發(fā)和擴(kuò)展。

3. 調(diào)整沖擊工藝中頻率及沖擊振幅（變幅桿振幅）可相應(yīng)優(yōu)化沖擊處理效果。而單一延長(zhǎng)沖擊時(shí)間可進(jìn)一步提高沖擊效果。