本文以Q345鋼結(jié)構(gòu)箱型柱為測試對象，對電渣焊和埋弧焊兩種焊縫進行超聲波消除應(yīng)力處理，研究超聲沖擊工藝對焊接殘余應(yīng)力的影響。其中埋弧焊焊縫采用全覆蓋沖擊和焊趾沖擊兩種沖擊工藝，并對不同超聲波沖擊方法的焊縫進行殘余應(yīng)力測量，了解分析超聲波時效與殘余應(yīng)力變化的規(guī)律，判斷此工藝的應(yīng)用價值。

試件焊接結(jié)構(gòu)

試驗用的焊接結(jié)構(gòu)是一個帶有連接塊的箱型柱，它是某建造中電視塔的一段，整個塔由多段箱型柱焊接而成。箱型柱由80mm厚度的Q345鋼板采用埋弧焊焊接而成，在有連接塊區(qū)域采用全熔透埋弧焊，其他區(qū)域采用非熔透埋弧焊。柱內(nèi)有筋板，采用埋弧焊與箱型柱板焊接，筋板與箱型柱封口垂直焊縫采用電渣焊。連接塊與箱型柱也采用埋弧焊焊接，它用于與其它柱進行螺栓連接。

超聲波去應(yīng)力工藝

設(shè)備采用聚航科技生產(chǎn)的JH-Q50超聲沖擊去應(yīng)力設(shè)備，進行了焊趾沖擊和全覆蓋沖擊兩種工藝試驗。沖擊時設(shè)備工作電流為1.3-1.6A，振動頻率約20KHz，沖擊效率為3.6cm²/min。焊趾沖擊是指僅對焊趾進行三排線狀滑移沖擊；全覆蓋沖擊是指對全焊道進行平面游動沖擊，母材區(qū)受沖擊寬度為3-5mm。

殘余應(yīng)力測量方法

采用盲孔法進行焊接殘余應(yīng)力測量，儀器采用聚航科技的JHMK殘余應(yīng)力測試系統(tǒng)。對于埋弧焊焊縫，測量點位在焊縫中心位置。對于電渣焊焊縫，由于焊縫位于箱型柱內(nèi)部，因此，只測量封口處焊縫截面上殘余應(yīng)力。

焊后殘余應(yīng)力測量結(jié)果

對焊后箱型柱上的埋弧焊和電渣焊焊縫進行了初始焊接殘余應(yīng)力測量。電渣焊測點設(shè)在立焊封口處，熔池呈方孔狀，故測點在實際焊縫的斷面上，受四邊母材的拘束，應(yīng)力呈平面雙向拉伸狀況。由于電渣焊焊速低，熱輸入量大，焊縫溫度下降較慢；焊后拉應(yīng)力帶比較寬，但應(yīng)力水平不是很高；焊接完成后，還需把封口堆高打磨到母材的平面，故其焊接殘余應(yīng)力進一步削降，測得σ_max=170MPa，σ_min=124MPa，σ_x=145MPa，σ_y=148MPa，屬正常的分布。

在連接塊附近的埋弧焊是全熔透焊縫，按一般規(guī)律，σ_max及σ_x可達(dá)到母材的σ_s，對Q345鋼約為350MPa，測得σ_max=238MPa，σ_x=190MPa，低于一般狀況；造成殘余應(yīng)力不高的原因是；箱型柱在埋弧焊完成后，尚需進行對內(nèi)筋板的電渣焊及連接塊的焊接。由于后期焊道的多次熱應(yīng)變作用，該焊縫的殘余應(yīng)力峰值必然會下降。

在無連接塊的箱型柱部位，采用非熔透埋弧焊，熔透深度約為板厚的1/2，按一般規(guī)律，σ_max及σ_x也可達(dá)到母材的σ_s，對Q345鋼約為350MPa，σ_y在三分之一的σ_s水平，約為120MPa。測量結(jié)果為σ_max=339MPa，σ_x=332MPa；σ_y=116MPa，與理論規(guī)律十分一致。

焊縫超聲沖擊消應(yīng)力效果分析

對電渣焊封口焊縫和全透埋弧焊焊縫進行了全覆蓋沖擊，沖擊前后測點的距離約為50-100mm；對非熔透埋弧焊焊縫進行了三種工藝試驗；未沖擊、焊趾沖擊與全沖擊；三種工藝間的測點距離為200mm和100mm，以分離不同工藝的相互影響。

電渣焊焊縫

由電渣焊縫沖擊前后殘余應(yīng)力結(jié)果顯示超聲沖擊處理可以在焊縫表面形成壓應(yīng)力。由于電渣焊封口平面與母材平面齊平，沖擊使電渣焊縫截面上表面形成一壓應(yīng)力薄層，使原始應(yīng)力發(fā)生明顯變化，測量了一個深度打磨點和二個淺度打磨點的殘余應(yīng)力，得到?jīng)_擊后平均應(yīng)力為σ_max=-49MPa，下降值為219MPa，下降率為129%。

埋弧焊的焊趾沖擊

僅對埋弧焊的焊趾進行沖擊，測點設(shè)在焊縫中央，距熔合線距離為22.5MM；由于測點表面沒有收到?jīng)_擊，故測量結(jié)果反映了焊趾沖擊后的擴散效果。這里包括二個方面作用，一方面焊趾沖擊可以在熔合線處形成塑性壓應(yīng)變，這可以從電渣焊沖擊的效果推斷，壓縮變形對周邊原始應(yīng)力分布的重新調(diào)整作用；另一方面超聲沖擊產(chǎn)生的類似振動時效的作用也使殘余應(yīng)力變化。沖擊前后應(yīng)力變化見表1，結(jié)果表明；超聲波對焊趾的沖擊，不僅能提高焊趾的應(yīng)力集中，而且對焊縫產(chǎn)生一定的消應(yīng)力效果，對σ_max的消除值為36-97MPa，平均為64MPa。通常情況下，焊趾是疲勞的裂紋區(qū)域之一，故焊趾沖擊可以改善焊趾應(yīng)力集中，提高焊接接頭的疲勞壽命。

埋弧焊的全覆蓋沖擊

全覆蓋沖擊的消應(yīng)力效果包括由于沖擊生成的表面壓應(yīng)力對原始應(yīng)力分布的調(diào)整以及超聲振動時效的作用，其表面為生成壓應(yīng)力的薄層。但由于粘貼應(yīng)變片的平面大于2cm*2cm，故需對焊縫中心圓弧凸起及沖擊糙面進行打磨，打磨深度估計為1-2mm，且鉆孔深度為2mm，測量結(jié)果反映了一定深度的應(yīng)力水平，測量結(jié)果見表2。

綜合表1、表2結(jié)果可知，對非熔透埋弧焊，沖擊前原始應(yīng)力水平σ_max=339MPa；沖擊后σ_max=224MPa，消應(yīng)力值為115MPa，消應(yīng)力效果為34%。對熔透埋弧焊，沖擊前原始應(yīng)力水平為238MPa，沖擊后σ_max=107MPa，消應(yīng)力值為131MPa，消應(yīng)力效果為55%。由于表面打磨的影響，埋弧焊焊縫上未檢測到壓應(yīng)力，但通過埋弧焊的測量結(jié)果及與電渣焊的比較，可知壓應(yīng)力層應(yīng)該處于焊縫的淺表面，它對近表面的拉應(yīng)力有明顯的消除效果。

結(jié)論

1. 立柱電渣焊封口，殘余應(yīng)力呈平面雙向均拉狀況，有σ_max=170MPa，σ_min=124MPa，σ_x=145MPa，σ_y=148MPa，屬于正常的分布。在連接塊附近的全熔透埋弧焊，受后期焊道的多次熱應(yīng)變作用，殘余應(yīng)力不高，σ_max=238MPa，σ_x=190MPa，低于一般狀況。其他區(qū)域采用非熔透埋弧焊，σ_max=339MPa，σ_x=332MPa，σ_y=116MPa，與理論分布規(guī)律十分一致。

2. 采用超聲波技術(shù)消除應(yīng)力，可以在焊縫表面形成壓應(yīng)力層，超聲沖擊對一定深度的表層有消除應(yīng)力的效果，在采用對焊道全覆蓋沖擊時，對2-4mm深度層消應(yīng)力效果可達(dá)34%-55%。

3. 采用焊趾沖擊法，可以修復(fù)焊趾的缺陷，降低應(yīng)力集中。并伴隨其壓應(yīng)力區(qū)的作用可以在一定程度上降低未受沖擊焊縫的殘余應(yīng)力，下降率達(dá)30%。