1实验材料与方法
频谱谐波时效设备采用领航者振动消除应力专家系统。频谱谐波振动时效处理时，先将待处理的铝合金型材焊接结构部件固定在专用工装上，对焊接结构件进行模态分析，提取焊件多个有效模态振型。然后对焊件进行频谱分析，优化谐波频率。最后对频谱分析的多种谐波频率进行动态应变检测，再结合模态分析振型与动态应变检测结果，选择动应变大的五种谐波频率55、96、101、106、123Hz进行定位时效处理。超声波冲击处理试验采用HY2050型豪克能焊接应力消除设备。超声波冲击时，冲击处理的范围在方形截面型材的对接焊缝及焊缝两侧各100mm内。超声波工作频率19～20kHz，额定功率1.0kW，最大振幅50μm。由于焊缝余高已被铣平，所以超声冲击头形状选用扁平式。参照GB/T7704-2008采用X射线测试方法测定处理前和处理后焊接区的残余应力，铝合金型材焊接件及残余应力测点位置。
2实验结果与分析
2.1频谱谐振时效处理后残余应力
铝合金型材焊接结构部件在频谱谐波振动时效处理前和处理后的对接接头残余应力分布状态如图2所示，其中平行焊缝方向为纵向残余应力σx，垂直焊缝方向为横向残余应力σy。，对于纵向残余应力，焊缝中心线处的最高拉应力147MPa，经频谱谐波时效处理后降低到20.9MPa；在距离焊缝中心线15mm的近缝区，最高拉应力为164.3MPa，频谱谐振后下降到31.2MPa，焊缝及近缝区最高残余拉应力消除80%以上。观察其他部位各测点有许多残余拉应力经频谱谐振后转变为残余压应力。对于横向残余应力，焊缝中心线部位的最高拉应力值为72.8MPa，经频谱谐波时效后此应力降低到-99MPa，最高残余应力完全消除。在距离焊缝中心线15mm的近缝区，最高拉应力值67.3MPa，经频谱谐波时效后下降到15.6MPa，最高残余拉应力消除76.8%以上。焊件经过频谱谐波振动时效后，纵向残余应力由初始范围192.6MPa至-63.7MPa变化为31.16MPa至-83.28MPa，残余应力均匀化率达55.4%；横向残余应力由初始应力范围176.1MPa至-175MPa改变为46.66MPa至-108.8MPa，应力均匀化率达55.7%。
2.2超声波冲击处理后残余应力
型材焊接结构件在超声冲击处理前和处理后方形截面对接接头的残余应力分布状态如图3所示。由图3可知，铝合金型材构件在刚性约束条件下焊接后，纵向和横向残余应力都呈拉应力状态，最高残余拉应力集中在焊缝及其附近区域，其中纵向应力达197.4MPa，横向应力达190.2MPa。经超声冲击处理后，焊缝及近缝区附近的残余应力均明显降低，最低下降到38.5MPa。经计算，纵向和横向残余拉应力分别下降37.2%和30.5%。纵向残余应力由初始应力范围197.4MPa至101.2MPa改变为124.5MPa至38.5MPa，纵向残余应力的均匀化率为10.6%；横向残余应力范围由190.2MPa至61.5MPa改变为124.1MPa至38.9MPa，横向残余应力的均匀化率为33.8%。
2.3频谱谐振与超声冲击联合处理后残余应力
对铝合金焊接部件进行频谱谐波时效处理，然后对近缝高应力区进行超声波冲击处理。焊接接头在焊缝附近的纵向残余拉应力较大，经频谱谐振处理后整体上残余应力下降33.7%，但在近缝区仍有100MPa以上的残余拉应力。随后对近缝区进行超声波冲击处理后，残余应力下降58.9%，且应力水平均下降到70MPa以下。2.4频谱谐振和超声冲击处理后接头力学性能铝合金型材焊接件分别经频谱谐波振动时效和超声冲击处理后，焊接接头标准拉伸试样在1mm/min速率下的室温拉伸试验以及弯曲试验结果列。显然，方形截面型材对接接头经过频谱谐振或超声冲击后，抗拉强度都符合JISZ3040规定的不小于285MPa的要求，弯曲试样经180°弯曲后完好。铝合金型材焊接部件分别经频谱谐波振动时效和超声冲击处理后，并在保留超声冲击处理表面粗糙度的条件下，焊接接头的标准疲劳试样在室温下脉动拉伸疲劳S-N曲线如图4所示，其中频谱谐振接头循环寿命为107次的疲劳极限达到100MPa，而超声冲击处理后的接头疲劳极限接近但略低于频谱谐振接头。
3结论
(1)铝合金型材焊接结构件经频谱谐振处理后残余应力均匀化率可达50%以上，适合整体焊接结构的消除残余应力处理，而超声冲击法更适于焊缝及近缝区等局部去应力处理。
(2)对于铝合金焊接件首先采用频谱谐波振动时效法进行整体处理可消除30%以上的残余拉应力，继续对焊缝及近缝区进行局部超声冲击处理，残余拉应力消除率可达近60%。
(3)铝合金型材对接接头分别经过频谱谐振和超声冲击处理后，拉伸和弯曲性能符合标准规定的要求，而经超声冲击处理的接头，其疲劳强度接近频谱谐振处理的接头。
作者：杨蔚 单位：大连交通大学
