装载机前车架消除焊接应力方法

装载机中的前车架、后车架，挖掘机中的斗杆、动臂等主要连接方式是焊接。在焊接过程中，由于焊接电弧加热的不均匀性以及材料内部等的相变作用，导致焊缝及结构件中存在不同水平的残余应力。残余应力的存在，不仅会影响结构件的工艺制造性，如降低构件的尺寸和形位精度，导致装配精度的降低，甚至工件的报废；而且残余应力还可能导致构件产生塑性变形，进而降低构件的疲劳强度和疲劳寿命，使整机丧失部分或全部功能。如果焊接构件在机加前没有进行相应的消除焊接应力处理，在构件服役时会出现残余应力释放的问题，应力的释放会引起构件配合精度的降低，进而导致零部件的异响、异常磨损或失效。因此，寻找合适的消除焊接应力的处理工艺并实现批量应用，不仅可以提高构件和整机的使用寿命，还可以为企业和用户节约了维修、维护的成本。

本文提出了一种新型的消除应力方法，就是采用振动时效和超声冲击处理组合消除焊接应力，并进行了相关试验研究。

试验过程

试验对象为某型号轮式装载机的前车架，材质主要为Q345，利用焊接机器人进行焊接。试验时首先对目标焊缝进行残余应力测量，然后进行振动时效处理，处理完成后，再次测量目标焊缝残余应力值，然后对目标焊缝进行超声冲击处理，处理完成后进行第三次残余应力测量。

残余应力测量方法采用盲孔法，每条目标焊缝测量3个点，测量位置为目标焊缝的焊趾处，并在焊缝长度方向上均匀分布；振动时效处理时，激振点选在前车架下铰接的上板位置处，拾振点选在翼箱的外侧板上，振动时效处理时间为25min。

进行超声冲击处理时，选择单根冲击针的冲击头，冲击针直径为6mm，处理速度控制在200mm/min，处理完成后，焊趾上要处理一条连续、均匀、光亮的凹槽，凹槽横截面要保留焊缝一侧的凹槽宽度与母材一侧的凹槽宽度大致相等。

结果与分析

表1是焊后、振动时效后以及超声冲击处理后目标焊缝焊趾处的残余应力水平。可以看到，焊后目标焊缝的残余应力均为拉应力，残余应力水平可以达到材料屈服强度的0.7-0.9倍。经过振动时效处理后，目标焊缝各测点位置处的残余应力水平有所降低，降低幅度在30%-50%之间，但残余应力仍然是拉应力。经过超声冲击处理以后，目标焊缝中的残余拉应力被消除，并在焊趾处植入了一定的残余压应力。

研究认为，焊接结构中存在的残余拉应力不仅会降低结构的压杆稳定性和承载能力，还会降低焊接结构的加工精度、疲劳强度和疲劳寿命。特别是当焊缝或钢结构中存在缺陷时，残余拉应力会加速其失效。但是当焊缝中的残余应力为压应力时，其对焊缝的疲劳寿命则是有益的。焊缝中的残余压应力会减弱应力集中的程度，限制或阻碍裂纹的形核及扩展。

结构件经过振动时效处理后，其内部残余应力的水平一般会降低30%-50%，应力水平的降低会减少机加过程中应力的释放量，从而保证了结构件的加工精度，提高了构件的装配精度，为减少异常磨等创造了有利条件。

结构件焊缝经过超声冲击处理后，焊趾处残余的拉应力被消除，并在焊趾处植入了对提高疲劳寿命有益的压应力。同时，经过处理后，焊趾处出现了一条连续、均匀、光滑的凹槽。这样，焊趾与母材的过渡就变的平滑，在结构件使用过程中，焊趾处的应力集中水平就会降低，进而提高结构件的疲劳寿命。

因此，在制定结构件的生产工艺时，考虑到生产效率以及运营成本，在批量生产过程中，可以采用振动时效+超声冲击处理的复合工艺，即结构件完成焊接后、机加前，先采用振动时效的方法整体消除焊接应力，然后针对设计仿真时的薄弱焊缝，以及构件服役过程中开裂较多的焊缝再进行超声冲击处理，从而达到生产效率和生产质量的完美结合。

总结

本文对某型装载机前车架进行了消除焊接应力的试验，利用振动时效的方法可以整体消除前车架焊缝的残余应力，消除率为30%-50%；采用超声冲击处理的方法可以100%消除焊缝中的残余拉应力，并植入对焊缝及整体结构有益的残余压应力，同时经超声冲击处理后，焊趾与母材的过渡变得圆滑，降低了焊趾处的应力集中水平。在实际生产过程中，可以采用振动时效+超声冲击的复合工艺消除焊接应力。