动臂振动时效去应力研究

动臂是由横梁和动臂板等零部件焊接而成，焊接过程中会产生大量的残余应力。而残余应力会降低结构件疲劳强度，产生应力腐蚀，失去尺寸精度。本次实验主要是通过振动时效工艺消除动臂焊接残余应力，从而提高结构件的质量及寿命。并采用盲孔法检测振前、振后残余应力数值，对比分析残余应力分布验证振动时效去应力效果。

动臂结构及工艺介绍

该结构主要由动臂横梁与动臂板等零部件焊接组成，由于较高的焊接热输入，横梁与动臂板间的主焊缝发生焊接变形。为控制焊接变形在机加工余量范围内，在动臂焊缝冷却后需对动臂的关键开档尺寸进行矫正。

动臂制造的原主要工艺流程为：总拼——焊接——矫正——机加——检测——抛丸——油漆——检测。

采用振动时效后的制造工艺流程为：总拼——焊接——矫正——检测1——振动时效——检测2——机加——检测3——抛丸——油漆——检测4。

检测主要关注时效前后尺寸稳定性变化以及对比时效处理前后焊接残余应力的变化；为减少测量误差，将第一次检测点进行标示，后续测量均与第一次测量点位置尽量一致。

设备要求与应用

1.JH-300A全功能频谱振动时效设备一套。里面有振动时效专用夹具、橡胶垫、激振器等配套设施。

2.JHMK多通道残余应力检测仪，由JHYC静态应变仪和JHZK钻孔装置组成。仪器软件式操作，自动实时计算残余应力、实时保存。

盲孔法残余应力检测技术要求如下：

1. 被测表面的处理应满足应变测量的技术要求，用胶水将直角应变片准确地粘贴在测点位置上，并用胶带覆盖好丝栅，防止铁屑破坏丝栅。

2. 在钻孔时，要保证钻杆与测量表面垂直，钻孔中心偏差应控制在±0.025mm以内。

3. 钻孔时要稳，机座不能晃动。钻孔速度要均匀且较低，钻孔速度快易导致应变片的温度漂移，孔周切削应变增大使测量不稳定。

4. 建议钻孔深度应为（1.0-1.2）D，本试验钻孔直径D：（Φ1.0±0.015）mm，深度为（1.5±0.05）mm。

工艺参数选择

根据动臂结构特点调节偏心距与激振位置。将激振器调整到工件刚性较大且振幅较大处、且使其旋转轴与振型有效区所在平面平行。经试验探索，用手触摸工件对比激振点在不同位置时横梁焊缝处、动臂板端部的振幅，最终激振点选择在动臂横梁装配孔处，关注区域振幅最大。

从0%偏心距开始，以10%为间隔、依次由小到大，每次进行全程扫频，当工件出现明显的共振时，停止调整偏心距，最终确定偏心距为35%至40%，电机转速在5175r/min至5587r/min范围内，关注区域动臂横梁焊缝处振幅最大。

应力检测分析

采用盲孔法检测振动时效前后残余应力的变化，忽略动臂板与横梁主焊缝的焊接接头位置，每条主焊缝分为6个区域，分别用A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L来表示。钻孔前将各区域打磨平整、干净，去除焊渣、飞溅、铁锈等杂质，以利于应变花粘贴及控制钻孔深度、精度。选择盲孔法测试应力的专用应变花，该应变花包含3个应变计，按0°、45°、90°方向分布。应变片敏感栅的中心距孔中心为2.65mm，应变片丝栅内径为2.5mm。

时效前后应力对比

通过以上数据可以看出，振动时效工艺确实可以降低焊接残余应力，按照GB/T25713-2010《振动时效工艺参数选择及效果评定方法》判定要求，本次工艺试验应力消除率为45.2%＞30%，符合相关标准要求，也满足企业相应处理的效果要求，故该振动时效去应力工艺可在企业进行推广应用。

应力释放对尺寸的影响分析

考虑到检测残余应力需轻微破坏、时间长等因素，除了直接检测残余应力来衡量振动时效效果外，还可以对动臂时效前后关键尺寸的变化进行分析、判断来衡量振动时效去应力效果，利用企业生产中现有的检测手段即双悬臂式三坐标对相同试验条件下的时效处理前后4台动臂进行了测量。从测量数据可以看出：时效处理后，由于应力释放所引起的动臂的关键尺寸变形量基本都在设计公差范围内。

结论

通过该工艺试验研究表明，振动时效这种工艺方法可以降低焊接残余应力，也解决了工程机械大型焊接结构件焊后不能直接热处理来消除应力的工艺问题；同时也解决了传统时效处理耗能高、污染环境，部件经过热时效后变形大、校正困难、成本高等难题，是一个值得推广应用消除应力的新工艺方法。