大桥梁段锚箱超声波去应力工艺
采用高强度钢可以提高焊接结构件的疲劳强度，目前在钢结构制造业和重大工程中得到广泛应用。而使用高强度钢的同时也会产生较大的焊接残余应力，这是阻碍构件疲劳强度、刚度等力学性能提高的重要因素之一，甚至产生残余变形。因此，残余应力的消除和均化就变得尤为重要。超声波去应力是一种局部消除焊接应力的新方法，本文采用磁测法检测超声冲击前后残余应力大小及变化，分析讨论影响超声冲击降低残余应力效果的几种因素。
试验材料、采用仪器
试验构件为某大桥梁段主缆上锚箱，材质为q345-a，所选取的冲击焊缝是吊索耳板（板厚δ=52mm）与横隔板（板厚δ=24mm）的角焊缝。设备采用聚航科技生产的jh-q30液晶超声波焊接应力消除设备，超声冲击工艺要求：压痕深度（0.5±0.2）mm；压痕覆盖率＞90%；试验冲击频率20、27.5khz；残余应力检测方法采用磁测法，仪器采用jh-60三维应力磁测系统，探头尺寸为15mm*15mm。
实验步骤
为了探索影响超声冲击降低残余应力效果的几种因素，本次实验依次采取以下步骤：
1.选用超声频率20khz对1号测点焊缝熔合区、焊趾、母材10mm宽热影响区（应力测点30*10mm部位除外，以保证测试所需的平整度）进行冲击；对1号测点进行0.68、1.23、1.96、2.8mm四种不同深度的残余应力测试，见图1，观察冲击对不同层深的时效效果。
2.选用27.5khz超声频率对2号测点焊缝进行步骤1)相同的冲击工艺及应力测试方法，测点见图1，观察不同频率的冲击效果。
3.48h后对两个测点进行相同方法的残余应力测试，以观察应力是否有反弹现象。
4.重复1)、2)操作的冲击工艺，将冲击时间延长20min。以观察延长冲击时间后的冲击效果。
试验结果及分析
通过对4次试验的应力测试结果评价，调整超声冲击工艺参数对冲击消除应力的影响。
步骤1：选用超声频率20khz冲击前后不同层深残余应力大小及变化，测试结果见表1。
表1 试验步骤1的应力测试结果
构件状态
层深/mm
0.68
1.23
1.96
2.8
σx/mpa
σy/mpa
σx/mpa
σy/mpa
σx/mpa
σy/mpa
σx/mpa
σy/mpa
冲击前
192
366
181
361
180
351
179
346
冲击后
-28
-51
30
21
63
76
91
125
由表1可知：冲击前距表层深度3.00mm内不同层深的残余应力变化不大，其测值波动范围只限于应力测量的误差范围之内。冲击后浅表层应力降低幅值*大，产生一定压应力。层深1.96mm与2.8mm时，应力下降幅值减小；层深1.23mm与1.96mm层之间的应力下降幅值较大，表明在冲击工艺条件下，冲击后的塑性变形层在距表层深度1.23mm与1.96mm之间。
试验步骤2：选用30.5khz超声频率冲击前后不同层深残余应力大小及变化，测试结果见表2。
表2 试验步骤2应力测试结果
构件状态
层深/mm
0.68
1.23
1.96
2.8
σx/mpa
σy/mpa
σx/mpa
σy/mpa
σx/mpa
σy/mpa
σx/mpa
σy/mpa
冲击前
184
344
186
353
122
330
166
341
冲击后
-59
-78
38
12
43
54
83
106
由表2可知：在30.5khz冲击频率下，其应力变化规律与试验步骤1基本一致，冲击后的整体降低幅值较试验步骤一略小。但对于平均应力而言，层深1.96、2.8mm处应力有相对较大降低幅值，其原因之一与浅表层产生的更低应力值有关，这只能说明30.5khz冲击条件下浅表层塑性变形层深度内冲击效果稍好，塑性变形层距表层深度没有大幅增加，仍在1.23-1.96mm范围内。
试验步骤3：48h后重复残余应力测试，测试结果见表3.
表3 试验步骤3应力测试结果
构件状态
层深/mm
0.68
1.23
1.96
2.8
σx/mpa
σy/mpa
σx/mpa
σy/mpa
σx/mpa
σy/mpa
σx/mpa
σy/mpa
冲击后1号
-34
-42
39
28
62
71
95
119
冲击后2号
-55
-79
39
12
41
50
89
103
由表3可知：冲击48h后应力没有进一步释放，且无反弹现象。其冲击后两次应力测试结果差异仍在应力测量误差范围内。
试验步骤4：重复冲击工艺，延长冲击时间20min，测试结果见表4.
表4 试验步骤4延长冲击时间后的测试结果
构件状态
层深/mm
0.68
1.23
1.96
2.8
σx/mpa
σy/mpa
σx/mpa
σy/mpa
σx/mpa
σy/mpa
σx/mpa
σy/mpa
冲击后1号
-91
-79
14
11
36
59
94
122
冲击后2号
-101
-112
9
-8
19
13
87
101
由表4可知：在相同冲击工艺条件下，只延长冲击时间可一步释放应力，但会损伤表面，塑性变形层距表层深度仍在1.23-1.96mm之间。
结论
1.超声冲击可有效降低焊缝区及热影响区残余应力，并能产生一定的表面压应力，是局部消除残余应力的理想工艺方法之一。
2.塑性变形层深度是超声冲击的有效时效层深，该层深一般在1.5mm左右，冲击处理后可有效防止表层裂纹诱发和扩展。
3.调整冲击工艺中频率及冲击振幅（变幅杆振幅）可相应优化冲击处理效果。而单一延长冲击时间可进一步提高冲击效果。
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实验步骤
为了探索影响超声冲击降低残余应力效果的几种因素，本次实验依次采取以下步骤：
1.选用超声频率20khz对1号测点焊缝熔合区、焊趾、母材10mm宽热影响区（应力测点30*10mm部位除外，以保证测试所需的平整度）进行冲击；对1号测点进行0.68、1.23、1.96、2.8mm四种不同深度的残余应力测试，见图1，观察冲击对不同层深的时效效果。
2.选用27.5khz超声频率对2号测点焊缝进行步骤1)相同的冲击工艺及应力测试方法，测点见图1，观察不同频率的冲击效果。
3.48h后对两个测点进行相同方法的残余应力测试，以观察应力是否有反弹现象。
4.重复1)、2)操作的冲击工艺，将冲击时间延长20min。以观察延长冲击时间后的冲击效果。
试验结果及分析
通过对4次试验的应力测试结果评价，调整超声冲击工艺参数对冲击消除应力的影响。
步骤1：选用超声频率20khz冲击前后不同层深残余应力大小及变化，测试结果见表1。
表1 试验步骤1的应力测试结果
构件状态
层深/mm
0.68
1.23
1.96
2.8
σx/mpa
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σx/mpa
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冲击前
192
366
181
361
180
351
179
346
冲击后
-28
-51
30
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63
76
91
125
由表1可知：冲击前距表层深度3.00mm内不同层深的残余应力变化不大，其测值波动范围只限于应力测量的误差范围之内。冲击后浅表层应力降低幅值*大，产生一定压应力。层深1.96mm与2.8mm时，应力下降幅值减小；层深1.23mm与1.96mm层之间的应力下降幅值较大，表明在冲击工艺条件下，冲击后的塑性变形层在距表层深度1.23mm与1.96mm之间。
试验步骤2：选用30.5khz超声频率冲击前后不同层深残余应力大小及变化，测试结果见表2。
表2 试验步骤2应力测试结果
构件状态
层深/mm
0.68
1.23
1.96
2.8
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冲击前
184
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186
353
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330
166
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冲击后
-59
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54
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106
由表2可知：在30.5khz冲击频率下，其应力变化规律与试验步骤1基本一致，冲击后的整体降低幅值较试验步骤一略小。但对于平均应力而言，层深1.96、2.8mm处应力有相对较大降低幅值，其原因之一与浅表层产生的更低应力值有关，这只能说明30.5khz冲击条件下浅表层塑性变形层深度内冲击效果稍好，塑性变形层距表层深度没有大幅增加，仍在1.23-1.96mm范围内。
试验步骤3：48h后重复残余应力测试，测试结果见表3.
表3 试验步骤3应力测试结果
构件状态
层深/mm
0.68
1.23
1.96
2.8
σx/mpa
σy/mpa
σx/mpa
σy/mpa
σx/mpa
σy/mpa
σx/mpa
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冲击后1号
-34
-42
39
28
62
71
95
119
冲击后2号
-55
-79
39
12
41
50
89
103
由表3可知：冲击48h后应力没有进一步释放，且无反弹现象。其冲击后两次应力测试结果差异仍在应力测量误差范围内。
试验步骤4：重复冲击工艺，延长冲击时间20min，测试结果见表4.
表4 试验步骤4延长冲击时间后的测试结果
构件状态
层深/mm
0.68
1.23
1.96
2.8
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冲击后1号
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冲击后2号
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101
由表4可知：在相同冲击工艺条件下，只延长冲击时间可一步释放应力，但会损伤表面，塑性变形层距表层深度仍在1.23-1.96mm之间。
结论
1.超声冲击可有效降低焊缝区及热影响区残余应力，并能产生一定的表面压应力，是局部消除残余应力的理想工艺方法之一。
2.塑性变形层深度是超声冲击的有效时效层深，该层深一般在1.5mm左右，冲击处理后可有效防止表层裂纹诱发和扩展。
3.调整冲击工艺中频率及冲击振幅（变幅杆振幅）可相应优化冲击处理效果。而单一延长冲击时间可进一步提高冲击效果。
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