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在工程機械結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)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(qū)，該區(qū)的存 在降低了焊接接頭的力學(xué)性能，特別是靠近焊縫金屬 的粗晶區(qū)。熱影響區(qū)對焊接接頭性能的影響主要體現(xiàn) 在兩個方面：一是熱影響區(qū)組織的變化，包括晶粒 長大、脆化等；另一方面是熱影響區(qū)殘余應(yīng)力的存在。 對于工程機械結(jié)構(gòu)件，在工作過程中，可能會發(fā)生殘 余拉應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加，導(dǎo)致材料發(fā)生屈服，進而 變形，甚至斷裂，發(fā)生車毀人亡事故。/ Y, v6 U+ g+ M/ r4 b' G$ p
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(chǎn)生較大的壓縮塑性變形，同時超聲沖擊改變 了原有的應(yīng)力場，產(chǎn)生了壓應(yīng)力，進而改善工程機械 結(jié)構(gòu)件熱影響區(qū)的性能。3 v9 Y r6 h8 i: O
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1、實驗過程及方法5 x) F" e T: v$ a8 B3 z
試驗方法與過程 本文采用豪克能HY2050G 超聲沖擊設(shè)備，對工程機械常 用 Q345 材料對接接頭熱影響區(qū)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(qū)的應(yīng)力，研 究不同超聲沖擊處理工藝下，熱影響區(qū)殘余應(yīng)力的變化 規(guī)律，進而指導(dǎo)工程機械結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制造。 1 Q3 G0 N, T; X2 a Z
在試驗過程中，假設(shè)焊接完成后，焊縫兩側(cè)熱影 響區(qū)對稱位置的表面殘余應(yīng)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(cè)的熱影響 區(qū)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(shù)，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(yīng)力測試分別測試焊道兩側(cè)熱影響區(qū)對稱位置的 殘余應(yīng)力[7—11]，測試點距離焊趾 2 mm。 8 F9 L& I/ U) c% s4 m
每種超聲沖 擊處理工藝參數(shù)下的試板測試 3 個應(yīng)力點 1*、2*、 3*，相鄰測試點之間的距離大于 20 mm。相應(yīng)的，另 一側(cè)未沖擊熱影響區(qū)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(yīng)變片的粘貼；接線； 鉆孔前對準(zhǔn)找正；鉆孔測量。
3 H" n% }( E3 ~- f6 b2 結(jié)果與分析
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2.1 無超聲沖擊處理試板應(yīng)力測試
9 s: V5 v; x8 Z! O3 E無超聲沖擊處理的 10# 試板焊道兩側(cè)的應(yīng)力值及 應(yīng)變值如表 2 所示。σ1 表示最大主應(yīng)力，σ2 為最小主 應(yīng)力，θ 為最大主應(yīng)力與應(yīng)變 ε1 的夾角，應(yīng)變 ε1、應(yīng) 變 ε2、應(yīng)變 ε3 分別是 0°、45°、90°方向的應(yīng)變值。由 于影響材料或焊接結(jié)構(gòu)性能的主要因素是最大主應(yīng) 力，因此在分析中以最大主應(yīng)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(cè)的 最大主應(yīng)力值相差 11.86 MPa,約為該處最大主應(yīng)力 值的 3.9%。在測量點 2 位置，焊縫兩側(cè)的最大主應(yīng) 力值相差 23.08 MPa，約為該處最大主應(yīng)力值的 7.5%。在測量點 3 位置，焊縫兩側(cè)的最大主應(yīng)力值相 差 3.01 MPa，約為該處最大主應(yīng)力值的 1%。由于焊 縫兩側(cè)應(yīng)力差值不超過最大主應(yīng)力值的 10%，可以近 似認為未沖擊處理的焊縫兩側(cè)對稱點的應(yīng)力值相等， 以便對比超聲沖擊處理前后焊縫兩側(cè)的應(yīng)力值。5 [+ n7 C" s# a C/ c
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2.2 超聲沖擊處理前后應(yīng)力測試# ?8 Z8 m# J4 Q1 N
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采用不同超聲沖擊工藝參數(shù)對試板進行超聲沖 擊處理后，焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)的應(yīng)力值如圖 2 所示。 每種處理工藝測試 3 個點的應(yīng)力。 6 e# ?5 o$ w: [% a5 b9 c
為說明超聲沖擊不同工藝參數(shù)對殘余應(yīng)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(yīng)力，即 1、2、 3 測試點的最大主應(yīng)力；σ 后為超聲沖擊處理后最大主應(yīng) 力，即 1*、2*、3*測試點的最大主應(yīng)力。
! E* [: d+ z$ I; S& Q! o不同參數(shù)超 聲沖擊后，殘余應(yīng)力的消減率如表 3 所示。
) H G# P* Z( P' ^3結(jié)尾- k7 |% W9 V5 u9 T
2 z5 ` ^3 d" c/ W) V1）通過試驗驗證，可以認為未沖擊處理的焊縫 兩側(cè)熱影響區(qū)對稱點的應(yīng)力值相等。
! D; l% t: y; W; C4 W2）超聲沖擊處理能夠?qū)?Q345 對接板熱影響區(qū) 殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，對焊接殘余應(yīng)力具有良好 的消除效果，消除率可以達到 88%~130%，從宏觀的 應(yīng)力應(yīng)變與微觀的位錯理論能夠解釋這種現(xiàn)象。
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發(fā)表于 2019-9-29 17:15:50
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