焊接是工程机械构件的重要成型方式。构件在焊接过程中会产生焊接应力和焊接变形，其根本原因是焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形。由于工程机械构件尺寸通常较大，难以运用常规的热处理来消除残余应力，且为使构件保持良好的机械性能，很多情况又不允许对构件进行热处理。这使得大型构件难以保持良好的尺寸精度和尺寸稳定性，明显的焊接应力集中也使构件处于较高的局部开裂失效风险中。

旋挖钻机是基础施工中的一种常用工程机械，桅杆和钻杆是其上两个重要部件，该两个部件共同特征为结构尺寸大、焊接量大，且在实际工况下承受载荷较大，焊接残余应力会导致桅杆和钻杆在使用过程中出现严重变形和开裂的情况。

为解决前述大型工程机械构件焊接残余应力问题，某知名工程机械制造商率先在旋挖钻机的桅杆和钻杆部件上开展了频谱谐波技术应用的可行性研究。

一、频谱谐波技术简介

频谱谐波技术是通过傅里叶分析方法对金属构件进行频谱分析，在0-100Hz范围内找出工件几十种谐波频率，从中优选出效果最佳的五种谐波频率，施加一定的能量进行振动，在构件上产生多方向动应力，与多维分布的残余应力叠加，达到材料的屈服极限时，将产生局部的塑性变形，如果这种循环的应力幅能迫使某些滑移面上的位错产生滑移或机械孪生，那么尽管没有达到材料的屈服极限，也同样会产生微观的塑性变形，迫使受约束的变形得到释放，从而降低峰值残余应力，达到均化残余应力的目的。

图1 频谱谐波时效设备

频谱谐波技术的应用可细分为频谱谐波时效振动和频谱谐波振动焊接两种形式。

频谱谐波时效振动处理对任何工件都能满足5种以上振型，充分保证动应力与工件残余应力多方向叠加，效果好，通常达到或超过热时效效果，对热时效效果欠佳的铝合金，效果尤其显著。

频谱谐波振动焊接是一种在焊接过程中加以干预以改善焊接效果的技术。具体是在工件焊接的同时，给工件施加一定有效的振动能量，使其在谐波频率下进行低幅振动，以改善焊缝和热影响区的微观组织结构，提高焊缝及热影响区材料的力学性能，最终获得低焊接残余应力的构件。

二、桅杆频谱谐波时效的应用研究

2.1 频谱谐波时效处理

使用频谱谐波时效设备对焊接完成的旋挖钻机桅杆进行频谱谐波时效处理。依据频谱谐波时效标准要求，构件采用四点橡胶垫平稳支撑，激振器通过弓形夹刚性的装夹在桅杆导轨上，考虑构件的重量及刚度选用LH3506型激振器。在选取时效振型及频率过程中，利用计算机软件控制的灵活性和可操控性，并参考模态分析和动态应变数值为参考，选取最佳振型及频率方案对工件进行时效处理。

参考WJ 2696-2008《装甲车辆振动消除应力技术要求》中关于时效工艺参数的规定，选取的五个振型中需保证有两个最大振动加速度在30～70m/s2之间，保证了工件能够在足够能量下达到残余应力消除效果。

桅杆如图2所示。

图2 桅杆示意图

2.2 应力检测时效效果评价

采用盲孔法对桅杆进行频谱谐波时效前后残余应力检测。

在桅杆上布置三个检测区域，三个区域一共布置了10个检测点

桅杆频谱谐波时效前后残余应力检测结果如下。

图3 频谱谐波时效前后残余应力对比

从桅杆残余应力检测结果可以看出，经过频谱谐波时效处理，残余应力得到显著降低，等效应力均值，下降率达到50%以上，远超过相关标准中焊接件振动时效应力降低30%的指标。

三、钻杆样板振动焊接的应用研究

采用钻杆样板进行频谱谐波振动焊接的应用研究。

焊接时，把样板固定在钢托盘上，频谱谐波激振器夹持在钢托盘一侧，传感器探头放置在斜对角位置，采用焊接机器人两道焊接，振动和焊接同时进行。

钻杆样板经振动焊接工艺成型后，对各试验样品进行了金相分析，包括焊缝、熔合区、热影响区(过热区或粗晶区)，并与传统方法焊接成型的样品进行对比分析。

通过对振动焊接工艺样品的金相组织分析，发现在合理的振动焊接工艺参数下焊接，振动焊接可以有效的改善焊缝、熔合区和粗晶区的组织结构。具体分析如下：

常规焊接后的焊缝组织为铁素体+珠光体组成，其组织不均匀，铁素体比较粗大且聚集。采用振动焊接工艺的焊缝相组成为铁素体+珠光体，其组织均匀，无铁素体聚集。因此从相结构和均匀性可以看出，其振动焊接焊缝力学性能好于常规焊接。

常规焊接焊缝和基体熔合区界限明显，焊缝区组织粗大，焊接粗晶区相结构粗大，粗大且网状分布的铁素体、魏氏体组织等有害组织，该部分力学性能较差，特别是冲击韧性很低。振动焊接焊缝和母材熔合区过渡平缓，焊缝组织细小且分布均匀，焊接粗晶区的相结构细小且各相分布均匀，无粗大铁素体和魏氏体组织，该区力学性能较好，冲击韧性较高。

综上所述：采用常规焊接工艺的样板，其焊缝组织不均匀、铁素体组织粗大且聚集，焊缝和母材熔合区界限明显、焊接粗晶区相结构粗大，且形成有网状分布的铁素体、魏氏体组织等有害组织，这一组织特点易造成构件的力学性能较差，特别是冲击韧性很低的问题;采用振动焊接工艺加工的样板，其组织分布有明显改善，最终表现为：焊缝组织细小且各相分布均匀、无铁素体聚集现象、无粗大铁素体和魏氏体组织、焊缝和母材熔合区过渡平缓。相对于传统焊接工艺，采用振动焊接形成的组织具有更优异的力学性能，并将大幅提高冲击韧性，能有效提高钻杆的焊接质量、提高疲劳性能，有利于解决钻杆传扭段开裂及其他由于焊接引起材料力学性能不佳的问题。

四、总结

频谱谐波时效技术在旋挖钻机桅杆上的应用取得了显著的应力消除效果，等效应力均值下降率达到50%以上，大幅超过GB/T25712-2010《振动时效工艺参数选择及效果评定方法》和WJ2696-2008《装甲车辆振动消除应力技术要求》中残余应力检测法时效效果评定指标[1]：焊接件应力消除率应大于30%，证明了频谱谐波技术在消除大型焊接结构件残余应力的可行性。

钻杆样板采用振动焊接工艺，有效改善了原传统焊接工艺形成的焊缝组织不均匀、铁素体组织粗大且聚集、焊缝和基体熔合区界限明显等问题，得到了晶粒细小且各相分布均匀、无铁素体聚集现象、无粗大铁素体和魏氏体组织、焊缝和母材熔合区过渡平缓的焊缝组织，有利于在形成良好力学性能，能有效提高钻杆的焊接质量、提高疲劳性能，有利于解决钻杆传扭段开裂及其他由于焊接引起材料力学性能不佳的问题。

频谱谐波时效技术在旋挖钻机桅杆和钻杆的应用研究，证明了其在工程机械上应用具备可行性。频谱谐波技术提供了振动时效和振动焊接两种技术方案，能够针对具体应用场景进行优化配套使用，在对于大型焊接件稳定尺寸精度、消除残余应力、提高构件的焊接质量等方面发挥了很好的作用，有助于提高工程机械的整体制造水平。

频谱谐波时效技术具有处理效率高、耗费工时少、投资少、能源消耗少等优点，其运用能够显著提高构件的质量、提高生产效率、降低生产成本，并具有节能环保的优势，具有十分可观的技术效益和经济效益。

注[1]：各标准对于振动时效效果评定的内容见【振动时效效果评定方法及要求汇编】。