超声冲击在耐候钢焊接后处理的运用研究

超声冲击在耐候钢焊接后处理的运用研究摘要：传统车辆底架焊接构件通常采用耐候钢材，焊接后需进行消除残余应力处理，目前使用的处理设备如退火炉、抛丸机存在占地大、污染重等缺点，对基建及安保要求较高，且不具备局部处理能力。

超声冲击应力消除设备具有占地小、无污染、使用灵活等优点，在局部消应力方面具有传统设备无法比拟的优势，本文通过工艺试验研究其在焊接残余应力消除方面的具体效果，为生产实际运用提供依据。

关键词：焊接后处理；超声冲击；残余应力；
中图分类号：tu74 文献标识码：a 文章编号：
0 前言
焊接残余应力是焊接技术带来的一个几乎无法避免的缺陷，是由于焊接过程中的受热不均匀导致的应力场的重新分布，残余应力较集中的部位为靠近焊缝附近位置及热影响区。

其危害甚大，对焊接结构件抗疲劳、脆断、应力腐蚀破坏以及尺寸稳定性有很大的影响。

因此采用适当的方法最大限度地降低或消除焊接残余应力，使其降低到安全的范围类, 是工程界面临的一个重大问题。

工厂常常采用热处理退火，抛丸等办法来降低和消除焊接残余应力，但热处理炉占地大，退火能耗消耗高，失效周期较长，有烟气粉尘废渣排放；抛丸亦有设备费用高，生产成本高，工作时间长，抛丸回收和喷丸伤人等缺点。

因此引入超声冲击设备，其具有占地小，不受工
作材质、形状、结构、重量的限制，使用起来灵活方便等特点。

超声设备主要利用大功率的能量推动冲击头以每秒2万次以上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面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，产生有益的压应力。

高能量冲击下金属表面温度急速升高又迅速冷却，使作用区表层金属组织发生变化，冲击部位得到强化。

超声冲击降低或消除残余应力在生产实际中有重要价值。

因此我们对其在焊接残余应力消除中的具体效果进行了探究。

1 实验
实验采用目前动车组车辆底架常用的8毫米厚sma490bw型钢板，各元素含量（wt%）：c≤0.18、si 0.15-0.65、mn≤1.40、s≤0.035、p≤0.035、cu 0.30-0.50、cr 0.45-0.75、ni 0.05-0.30，属于低碳低合金钢，焊接方法为80%ar+20%co2气体保护焊，焊丝为符合gb/t8810—1995标准要求的chw-55cnh型、牌号h08mn2sia，接头形式为v型对接，焊接参数底层（190-210）a、（23-25）v，其余（240-280）a、（25-30）v。

将焊接好的板材用角磨机将焊缝余高过高处打磨修整，使焊缝高于母材不超过3mm。

沿焊缝中心将工件分为两部分，一部分作为冲击前原始数据区，另一部分为冲击数据区。

实验采用hy2050型毫克能焊接应力消除设备对冲击区焊缝焊趾、热影响区及母材分别进行全覆盖超声冲击处理。

设备参数选用：
电流1.8 ~2.0a, 振动频率20 kh z，冲击速度500mm/min。

因焊趾部位为应力集中处，故冲击处理时使用圆头冲击针对焊趾部位进行反复冲击，直到冲出大约2mm深的明显的压痕为止，过程持续5-10分钟，利用塑性变形产生有益压应力，减小金属冷却结晶过程中的拉应力，改变原有应力场；因焊接过程对母材热影响较小，远离焊缝处换用平板冲击头，对准热影响区及母材区域垂直表面进行冲击，冲击不要求形成明显塑性变形，过程持续3-5分钟。

对两个区域距离焊缝中心0、5mm、10mm、15mm、45mm、50mm、65mm处分别取点，因焊缝单边宽9mm左右，可以看出前三点基本位于焊缝及热影响区域，然后采用小孔法进行应力测试，测试标准参照：gb 3395-92 残余应力测试方法钻孔应变释放法。

测试过程：
帖应变片连线
烘干测试数据
实验数据：
表一
表一中δx表示横向应力,δy表示纵向应力，因取点顺序是由焊缝中心向母材逐渐远离，看出超声冲击前焊缝中心处的横向应力值δx最大，达到了448mpa，纵向应力δy也达到了201mpa，由于焊缝宽度为18mm左右，可知焊缝区到热影响区的横向应力值δx都在200mpa以上，呈现出一个较高的应力水平，而距离焊缝较远的
母材区域着出现了100mpa上下的压应力，主要因为焊接前的板材表面已经预先进过了抛丸处理，所以才呈现出压应力。

超声冲击前从焊缝区域到母材的残余应力整体趋势是下降的。

2 分析
表一中δx表示超声冲击处理前的横向应力,δx1表示超声冲击处理后的横向应力，δy表示超声冲击处理前的纵向应力,δy1表示超声冲击处理后的纵向应力。

由图知，经过超声冲击处理后，焊缝，焊趾，近焊缝区（点1、2、3）的残余应力有较为明显的下降，横向残余应力平均应力消除率为59%，纵向残余应力平均应力消除率为61%。

分析是因为在圆头冲击针作用下，该区域产生明显塑性变形，变形产生的压应力很大程度上消除了焊缝冷却过程拉应力，同时塑性变形破坏原有应力场，使得焊缝冷却后不均匀应力场匀化，有效改善内部组织及焊缝性能。

由于焊接对母材尤其是里焊缝较远的母材区域影响较小，故采用平板冲击头，冲击未产生明显塑性变形，但在高频振动影响下工件发生一定程度共振时效，通过共振方式将冲击能量传递到工件的所有部位，使工件内部发生微观的塑性变形，歪曲的晶格回复平衡，位错滑移钉扎，从而使母材区也有不同程度的应力减小，所以板材的安全性能不会受到影响。

由于实验采用盲孔法测试，为保证每个测试点相隔一定的距离，
故焊缝处测试点数量相对不足，但可以看到冲击对焊缝焊接残余应力消除是有明显效果的。

3 结论
通过以上实验及分析，超声冲击能使焊缝及其热影响区残余应力明显下降，起到提高焊缝力学性能、疲劳强度等目的；冲击改善焊趾的几何形状的能力，消除焊趾部位表层微小裂纹和熔渣缺陷，抑制裂纹提前萌生；同时针对其占地下、使用灵活的特点，能填补退火、抛丸设备在局部处理方面的空白，故在车辆实际生产中可将其定位于局部焊接、焊修后的残余应力去除。

参考文献：
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