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動臂是由橫梁和動臂板等零部件焊接而成，焊接過程中會產(chǎn)生大量的殘余應(yīng)力。而殘余應(yīng)力會降低結(jié)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，失去尺寸精度。本次實驗主要是通過振動時效工藝消除動臂焊接殘余應(yīng)力，從而提高結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量及壽命。并采用盲孔法檢測振前、振后殘余應(yīng)力數(shù)值，對比分析殘余應(yīng)力分布驗證振動時效去應(yīng)力效果。

動臂結(jié)構(gòu)及工藝介紹

該結(jié)構(gòu)主要由動臂橫梁與動臂板等零部件焊接組成，由于較高的焊接熱輸入，橫梁與動臂板間的主焊縫發(fā)生焊接變形。為控制焊接變形在機(jī)加工余量范圍內(nèi)，在動臂焊縫冷卻后需對動臂的關(guān)鍵開檔尺寸進(jìn)行矯正。

動臂制造的原主要工藝流程為：總拼——焊接——矯正——機(jī)加——檢測——拋丸——油漆——檢測。

采用振動時效后的制造工藝流程為：總拼——焊接——矯正——檢測1——振動時效——檢測2——機(jī)加——檢測3——拋丸——油漆——檢測4。

檢測主要關(guān)注時效前后尺寸穩(wěn)定性變化以及對比時效處理前后焊接殘余應(yīng)力的變化；為減少測量誤差，將*一次檢測點進(jìn)行標(biāo)示，后續(xù)測量均與*一次測量點位置盡量一致。

設(shè)備要求與應(yīng)用

1.JH-300A全功能頻譜振動時效設(shè)備一套。里面有振動時效專用夾具、橡膠墊、激振器等配套設(shè)施。

2.JHMK多通道殘余應(yīng)力檢測儀，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK鉆孔裝置組成。儀器軟件式操作，自動實時計算殘余應(yīng)力、實時保存。

盲孔法殘余應(yīng)力檢測技術(shù)要求如下：

1. 被測表面的處理應(yīng)滿足應(yīng)變測量的技術(shù)要求，用膠水將直角應(yīng)變片準(zhǔn)確地粘貼在測點位置上，并用膠帶覆蓋好絲柵，防止鐵屑破壞絲柵。

2. 在鉆孔時，要保證鉆桿與測量表面垂直，鉆孔中心偏差應(yīng)控制在±0.025mm以內(nèi)。

3. 鉆孔時要穩(wěn)，機(jī)座不能晃動。鉆孔速度要均勻且較低，鉆孔速度快易導(dǎo)致應(yīng)變片的溫度漂移，孔周切削應(yīng)變增大使測量不穩(wěn)定。

4. 建議鉆孔深度應(yīng)為（1.0-1.2）D，本試驗鉆孔直徑D：（Φ1.0±0.015）mm，深度為（1.5±0.05）mm。

工藝參數(shù)選擇

根據(jù)動臂結(jié)構(gòu)特點調(diào)節(jié)偏心距與激振位置。將激振器調(diào)整到工件剛性較大且振幅較大處、且使其旋轉(zhuǎn)軸與振型有效區(qū)所在平面平行。經(jīng)試驗探索，用手觸摸工件對比激振點在不同位置時橫梁焊縫處、動臂板端部的振幅，最終激振點選擇在動臂橫梁裝配孔處，關(guān)注區(qū)域振幅*大。

從0%偏心距開始，以10%為間隔、依次由小到大，每次進(jìn)行全程掃頻，當(dāng)工件出現(xiàn)明顯的共振時，停止調(diào)整偏心距，最終確定偏心距為35%至40%，電機(jī)轉(zhuǎn)速在5175r/min至5587r/min范圍內(nèi)，關(guān)注區(qū)域動臂橫梁焊縫處振幅*大。

應(yīng)力檢測分析

采用盲孔法檢測振動時效前后殘余應(yīng)力的變化，忽略動臂板與橫梁主焊縫的焊接接頭位置，每條主焊縫分為6個區(qū)域，分別用A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L來表示。鉆孔前將各區(qū)域打磨平整、干凈，去除焊渣、飛濺、鐵銹等雜質(zhì)，以利于應(yīng)變花粘貼及控制鉆孔深度、精度。選擇盲孔法測試應(yīng)力的專用應(yīng)變花，該應(yīng)變花包含3個應(yīng)變計，按0°、45°、90°方向分布。應(yīng)變片敏感柵的中心距孔中心為2.65mm，應(yīng)變片絲柵內(nèi)徑為2.5mm。

時效前后應(yīng)力對比

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，振動時效工藝確實可以降低焊接殘余應(yīng)力，按照GB/T25713-2010《振動時效工藝參數(shù)選擇及效果評定方法》判定要求，本次工藝試驗應(yīng)力消除率為45.2%＞30%，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，也滿足企業(yè)相應(yīng)處理的效果要求，故該振動時效去應(yīng)力工藝可在企業(yè)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

應(yīng)力釋放對尺寸的影響分析

考慮到檢測殘余應(yīng)力需輕微破壞、時間長等因素，除了直接檢測殘余應(yīng)力來衡量振動時效效果外，還可以對動臂時效前后關(guān)鍵尺寸的變化進(jìn)行分析、判斷來衡量振動時效去應(yīng)力效果，利用企業(yè)生產(chǎn)中現(xiàn)有的檢測手段即雙懸臂式三坐標(biāo)對相同試驗條件下的時效處理前后4臺動臂進(jìn)行了測量。從測量數(shù)據(jù)可以看出：時效處理后，由于應(yīng)力釋放所引起的動臂的關(guān)鍵尺寸變形量基本都在設(shè)計公差范圍內(nèi)。

結(jié)論

通過該工藝試驗研究表明，振動時效這種工藝方法可以降低焊接殘余應(yīng)力，也解決了工程機(jī)械大型焊接結(jié)構(gòu)件焊后不能直接熱處理來消除應(yīng)力的工藝問題；同時也解決了傳統(tǒng)時效處理耗能高、污染環(huán)境，部件經(jīng)過熱時效后變形大、校正困難、成本高等難題，是一個值得推廣應(yīng)用消除應(yīng)力的新工藝方法。