本文以Q345鋼結構箱型柱為測試對象，對電渣焊和埋弧焊兩種焊縫進行超聲波消除應力處理，研究超聲沖擊工藝對焊接殘余應力的影響。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力測量，了解分析超聲波時效與殘余應力變化的規律，判斷此工藝的應用價值。

試件焊接結構

試驗用的焊接結構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，在有連接塊區域采用全熔透埋弧焊，其他區域采用非熔透埋弧焊。柱內有筋板，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。

超聲波去應力工藝

設備采用聚航科技生產的JH-Q50超聲沖擊去應力設備，進行了焊趾沖擊和全覆蓋沖擊兩種工藝試驗。沖擊時設備工作電流為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，母材區受沖擊寬度為3-5mm。

殘余應力測量方法

采用盲孔法進行焊接殘余應力測量，儀器采用聚航科技的JHMK殘余應力測試系統。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部，因此，只測量封口處焊縫截面上殘余應力。

焊后殘余應力測量結果

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力測量。電渣焊測點設在立焊封口處，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；焊后拉應力帶比較寬，但應力水平不是很高；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，按一般規律，σ_max及σ_x可達到母材的σ_s，對Q345鋼約為350MPa，測得σ_max=238MPa，σ_x=190MPa，低于一般狀況；造成殘余應力不高的原因是；箱型柱在埋弧焊完成后，尚需進行對內筋板的電渣焊及連接塊的焊接。由于后期焊道的多次熱應變作用，該焊縫的殘余應力峰值必然會下降。

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，按一般規律，σ_max及σ_x也可達到母材的σ_s，對Q345鋼約為350MPa，σ_y在三分之一的σ_s水平，約為120MPa。測量結果為σ_max=339MPa，σ_x=332MPa；σ_y=116MPa，與理論規律十分一致。

焊縫超聲沖擊消應力效果分析

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力結果顯示超聲沖擊處理可以在焊縫表面形成壓應力。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力薄層，使原始應力發生明顯變化，測量了一個深度打磨點和二個淺度打磨點的殘余應力，得到沖擊后平均應力為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，測點設在焊縫*央，距熔合線距離為22.5MM；由于測點表面沒有收到沖擊，故測量結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力分布的重新調整作用；另一方面超聲沖擊產生的類似振動時效的作用也使殘余應力變化。沖擊前后應力變化見表1，結果表明；超聲波對焊趾的沖擊，不僅能提高焊趾的應力集中，而且對焊縫產生一定的消應力效果，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域之一，故焊趾沖擊可以改善焊趾應力集中，提高焊接接頭的疲勞壽命。

埋弧焊的全覆蓋沖擊

全覆蓋沖擊的消應力效果包括由于沖擊生成的表面壓應力對原始應力分布的調整以及超聲振動時效的作用，其表面為生成壓應力的薄層。但由于粘貼應變片的平面大于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，測量結果反映了一定深度的應力水平，測量結果見表2。

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

結論

1. 立柱電渣焊封口，殘余應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變作用，殘余應力不高，σ_max=238MPa，σ_x=190MPa，低于一般狀況。其他區域采用非熔透埋弧焊，σ_max=339MPa，σ_x=332MPa，σ_y=116MPa，與理論分布規律十分一致。

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

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