降低鋼結(jié)構(gòu)焊接件殘余應(yīng)力的振動時效法

甘 泉

（廣西防城港務(wù)集團有限公司港口機械廠，廣西 防城港 538001）

前言

鋼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)性能好和結(jié)構(gòu)組織均勻的特點和強度高、彈性模量高以及塑性和韌性好的優(yōu)勢，更適于承受沖擊以及振動荷載，故此被廣泛應(yīng)用在建筑領(lǐng)域。但由于鋼結(jié)構(gòu)焊接時不可避免的產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，嚴(yán)重時會影響構(gòu)件的力學(xué)性能和尺寸，對一些重要的鋼構(gòu)件有必要采取措施降低釋放其殘余的焊接應(yīng)力。

1 焊接殘余應(yīng)力的成因

所謂焊接應(yīng)力，是指焊接構(gòu)件由于焊接而產(chǎn)生的應(yīng)力。焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的兩個根本原因。除上述兩種原因外，還有一種原因是，在焊件被剛性固定或者焊件之間發(fā)生相互牽制，也會在焊接件構(gòu)件中產(chǎn)生焊接殘余的應(yīng)力，上述種種因素就會使焊接殘余應(yīng)力形成。

2 焊接殘余應(yīng)力的危害

由于焊接殘余應(yīng)力，在受到鋼材不同板厚以及構(gòu)件形狀不同等條件制約下，在焊接構(gòu)件中發(fā)生很復(fù)雜的應(yīng)力分布。應(yīng)力分布盡管很復(fù)雜，但對構(gòu)件自身來說，其實還是處于一種自相平衡的力系，當(dāng)構(gòu)件承受到荷載時侯，比如受到拉伸以及受到壓縮作用等，由于荷載引起的應(yīng)力將和截面殘余應(yīng)力互相疊加，使得構(gòu)件某些部位，提前達(dá)到了屈服強度，并且引起塑性的變形，最終導(dǎo)致構(gòu)件剛度的降低、穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)疲勞強度也相對降低。

3 采用VSR振動時效法消除構(gòu)件的應(yīng)力

對于一些無法使用熱時效處理大型厚板鋼構(gòu)件，VSR振動時效是有效消除焊接殘余應(yīng)力的最后一道防線。振動時效的原理是指給被時效處理的焊接件，施加一個跟工件本身固有的諧振頻率相一致的周期激振力，使其發(fā)生共振，因而使焊接工件得到相對一定的振動能量，同時工件內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生微觀的塑性變形，使歪曲的晶格錯位逐漸滑移并且重新纏繞、釘扎，進而漸漸地恢復(fù)平衡狀態(tài)，消除和均化了殘余應(yīng)力。據(jù)統(tǒng)計：正確地選擇時效振型方式，對焊接工件的關(guān)鍵部位適當(dāng)?shù)厥┘討?yīng)力后，振動時效能使殘余應(yīng)力可以被消除 20%～80%左右，且高應(yīng)力區(qū)消除的比低應(yīng)力區(qū)大。這顯著提高使用強度和疲勞壽命，降低應(yīng)力腐蝕，穩(wěn)定焊接件的尺寸，尤其是針對異種鋼的焊接，其的尺寸穩(wěn)定性更好。特別對環(huán)狀鋼結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定構(gòu)件形狀尺寸更具有明顯的效果。另外，振動時效法不僅具有周期短、效率高而且還不存在污染的特點，同時也不受工件尺寸、形狀以及重量等方面的限制，通過大量的焊接施工工程實踐證明，振動時效法對消除構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力其效果是非常明顯的。尤其對一些大型構(gòu)件無法使用熱時效處理時，振動時效就具有更加突出的優(yōu)越性。

4 焊接工件的振動處理具體方法及效果

盡管對焊接試件的振動時效得到了肯定的結(jié)論，為了能證明對大型焊接工件可用振動時效來代替熱時效，現(xiàn)選擇斗輪機塔架頭部焊接件進行一次實際測試，其凈重量約7.5 t。由于其尺寸大、形狀復(fù)雜，振動時效要想達(dá)到預(yù)期的效果，須適當(dāng)遵循一定的規(guī)律，具體方法如下：

4.1 合理選擇支承與激振器的位置

支承點選擇工件在作自由振動時侯的波節(jié)處，而且激振器安裝在工件自由振動時的波峰處。往工件上撒砂子來進行觀測來對波節(jié)、波峰位置進行確定，砂子聚攏地方為波節(jié)，反之為波峰。定好支承點后，用木塊加上橡膠墊做為支承。

4.2 激振頻率的選擇

在小激振力條件下，對頻率進行掃描，查出一階共振頻率，其應(yīng)位于亞共振區(qū)（最大振幅1/3～2/3所對頻率區(qū)）即是最佳工作頻率區(qū)域，其上的振動比較穩(wěn)定、效果好，而且也可避免產(chǎn)生應(yīng)變硬化、軟化以及疲勞損壞。最后選擇3 710 r/min、5 840 r/min、4 670 r/min這三個頻率。

4.3 動應(yīng)力與激振力的選擇

在振動時效過程中，激振器要給工件施加附加動應(yīng)力，其跟工件中殘余應(yīng)力相疊加，由此產(chǎn)生的塑性變形可以使工件的殘余應(yīng)力發(fā)生松弛、均化及消除，并且提金屬工件的抗變形能力，所以焊接動應(yīng)力在振動時效中起著決定性作用。參照外國資料，焊接件的動應(yīng)力通常取為35～50 MPa。動應(yīng)力的具體大小數(shù)值可用動態(tài)電阻應(yīng)變儀來進行測量，其數(shù)值還可通過改變激振力的大小來進行調(diào)整。激振力大小的計算公式如下：

F＝（Q/g）eX2sinwt

其中，Q：偏心塊的重量；g：重力加速度；e：偏心距；X：激振頻率。

激振力靠偏心距的調(diào)整來完成，對本構(gòu)件我們選用偏心距為55。

4.4 振動時間的確定

振動時間與工件的結(jié)構(gòu)和重量有關(guān)，激振時間的確定基本上是以振動系統(tǒng)參數(shù)的宏觀特性變化來確定，但都是以單自由度振動方程為依據(jù)，發(fā)生共振時，振幅為 P＝me/（2Mtζ），式中，m為偏心質(zhì)量，e為偏心距，ζ為阻尼系數(shù)，Mt為整個構(gòu)件的質(zhì)量，帶寬Δw＝2ζwn；由算式初定振動時間為20 min。由于存在工件尺寸太大的問題，為了讓振動時效產(chǎn)生更好的效果，激振器在安裝時要在不同部位安裝振動兩次。

4.5 效果

完成激振后所有焊縫 UT探傷均合格，外型尺寸偏差小于±1 mm，該構(gòu)件已用在整機上較長時間未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量問題。

5 結(jié)束語

振動時效跟熱時效一樣，均能較大幅度地降低殘余應(yīng)力的最大絕對值，減小殘余應(yīng)力的值，殘余應(yīng)力的分布也更趨于均化分布，從而增強了材料的強度、提高了工件的尺寸及精度穩(wěn)定性。通過對實際大型工件的實際測試證明，對于大型焊接件來說，采用振動時效進行處理是可行的，仍然能獲得降低、均化殘余應(yīng)力，以及穩(wěn)定幾何尺寸、精度的效果。

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