大橋梁段錨箱超聲波去應(yīng)力工藝

采用高強度鋼可以提高焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞強度，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。而使用高強度鋼的同時也會產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力，這是阻礙構(gòu)件疲勞強度、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，本文采用磁測法檢測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。

試驗材料、采用儀器

試驗構(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%；試驗沖擊頻率20、27.5KHZ；殘余應(yīng)力檢測方法采用磁測法，儀器采用JH-60三維應(yīng)力磁測系統(tǒng)，探頭尺寸為15mm*15mm。

實驗步驟

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

1. 選用超聲頻率20KHz對1號測點焊縫熔合區(qū)、焊趾、母材10mm寬熱影響區(qū)（應(yīng)力測點30*10mm部位除外，以保證測試所需的平整度）進行沖擊；對1號測點進行0.68、1.23、1.96、2.8mm四種不同深度的殘余應(yīng)力測試，見圖1，觀察沖擊對不同層深的時效效果。

2. 選用27.5KHZ超聲頻率對2號測點焊縫進行步驟1)相同的沖擊工藝及應(yīng)力測試方法，測點見圖1，觀察不同頻率的沖擊效果。

3. 48h后對兩個測點進行相同方法的殘余應(yīng)力測試，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，將沖擊時間延長20min。以觀察延長沖擊時間后的沖擊效果。

試驗結(jié)果及分析

通過對4次試驗的應(yīng)力測試結(jié)果評價，調(diào)整超聲沖擊工藝參數(shù)對沖擊消除應(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，測試結(jié)果見表1。

表1  試驗步驟1的應(yīng)力測試結(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，其測值波動范圍只限于應(yīng)力測量的誤差范圍之內(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，應(yīng)力下降幅值減??；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，測試結(jié)果見表2。

表2  試驗步驟2應(yīng)力測試結(jié)果

由表2可知：在30.5KHZ沖擊頻率下，其應(yīng)力變化規(guī)律與試驗步驟1基本一致，沖擊后的整體降低幅值較試驗步驟一略小。但對于平均應(yīng)力而言，層深1.96、2.8mm處應(yīng)力有相對較大降低幅值，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有大幅增加，仍在1.23-1.96mm范圍內(nèi)。

試驗步驟3：48h后重復(fù)殘余應(yīng)力測試，測試結(jié)果見表3.

表3  試驗步驟3應(yīng)力測試結(jié)果

由表3可知：沖擊48h后應(yīng)力沒有進一步釋放，且無反彈現(xiàn)象。其沖擊后兩次應(yīng)力測試結(jié)果差異仍在應(yīng)力測量誤差范圍內(nèi)。

試驗步驟4：重復(fù)沖擊工藝，延長沖擊時間20min，測試結(jié)果見表4.

表4  試驗步驟4延長沖擊時間后的測試結(jié)果

由表4可知：在相同沖擊工藝條件下，只延長沖擊時間可一步釋放應(yīng)力，但會損傷表面，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。而單一延長沖擊時間可進一步提高沖擊效果。