振動時效在超厚鋼板焊接結(jié)構(gòu)上的應用

對于焊接結(jié)構(gòu)而言，焊后殘余應力的存在幾乎是不可避免的。而焊接殘余應力對焊接結(jié)構(gòu)的強度和剛度都有著不同程度的影響，因此，盡可能地降低焊接殘余應力并使之分布均勻化是保證焊接結(jié)構(gòu)使用安全的關(guān)鍵之一。

焊后熱處理是降低焊接殘余應力的常用方法。但是也存在一些問題，一是受到爐體容積的限制，許多大型構(gòu)件都難以處理；二是容易產(chǎn)生新的變形。而振動時效基本不受構(gòu)件體積和形狀的限制，可在施工現(xiàn)場使用，且對穩(wěn)定零件的尺寸有顯著效果，因此可代替熱時效。

本文著重探討振動時效在超厚鋼板焊接結(jié)構(gòu)上應用的可行性。試驗中采用的設備是南京聚航科技有限公司的JH-578A數(shù)碼交流振動時效設備，該設備采用高速變頻伺服電機，比直流永磁電機頻域?qū)?、激振力大、壽命長、時效效果更好。

振前振后采用盲孔法檢測殘余應力，儀器采用聚航科技的JHMK殘余應力測試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應變儀和JHZK殘余應力精密鉆孔裝置組成。

振動試板及其焊接工藝

試板材料為16MnJ，板厚60mm。對于T試板，加焊400mm長的拘束段，采用手工焊，焊條T506；對于L試板，由于焊縫較短，不加拘束段，但要用引弧板和收弧板。

試驗段全部采用埋弧焊，焊材為H10Mn2（φ5）+HJ431。焊前預熱，預熱溫度100-150℃。焊接電流500-600A，焊接電壓33-37V，焊接速度500-600mm/min。焊接接頭的屈服強度σ為388MPa。

振動時效工藝選擇

振動時效可以選擇的工藝參量有支撐方式、激振力、振動頻率和振動時間。

對于本次測試件，支撐方式主要以支撐距離來表征。設支撐點距試板一端的距離為S，試板的長度為L。當支撐點離端部太近時，雖然試板的剛性較小，但與支撐物的接觸不穩(wěn)，容易產(chǎn)生“彈動”現(xiàn)象，在振動曲線上表現(xiàn)為波峰區(qū)域較寬。此時，雖然輸入的能量較大，但試板彎曲振動也很小，不易消除殘余應力。通過一系列試驗調(diào)整，當支撐距離S=530mm時，能夠在最低的轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生較高的振動效果。也就是說。對于這塊試件，支撐點應放置在其一階振型的節(jié)點處。

激振力的改變是通過調(diào)節(jié)偏心距來實現(xiàn)的，因此可用偏心距來表征激振力。實驗表明，改變偏心距e對共振轉(zhuǎn)速n₀影響很小，而加速度峰值G_max則變化顯著。即激振力的改變并不影響振動曲線的特征，只起放大或縮小的作用。

因此，對于本次試板而言，所選的支撐方式為S=530mm。激振力為e=1.5mm。此時，n₀=3235rpm，G_max=11.2g，n₁=3000rpm。

振動頻率與電機的轉(zhuǎn)速是等同的。在確定了振動曲線之后，可以選定振動試板的電機轉(zhuǎn)速。一般而言，不宜在N₀處振動工件，因為此時工件處于受迫共振狀態(tài)，容易損傷工件。選擇合適的電機轉(zhuǎn)速n有兩個經(jīng)驗依據(jù)：⑴能使G_max≥10g即可；⑵取峰值所對應轉(zhuǎn)速的2/3。對于本文的試驗而言，n=3156rpm時，G_max=10g，（n-n₁）/（n₀-n₁）=0.66≈2/3。因此，本文的試驗證實了兩者的統(tǒng)一。

振動時間的選取較為簡單，按試板重量確定為30分鐘。

消除殘余應力效果

通過上述實驗可確定支撐點距試板端部530mm，激振力選檔1.5，電機轉(zhuǎn)速取3156rpm。此時，焊縫處的動應力為88MPa。振動30分鐘后停機，然后測量殘余應力，并與振前的測試結(jié)果加以比較，如圖1、2所示。從圖中可以看出，在高應力區(qū)殘余應力明顯下降；在低應力區(qū)殘余應力的下降程度相對較低。在高應力區(qū)，殘余應力和動應力的疊加超過了屈服應力。

因而，有足夠的塑性流動來調(diào)整殘余應力，使之顯著下降。在低應力區(qū)，殘余應力本身就較低，和動應力疊加很難超過屈服應力，只有通過應力平衡來調(diào)整殘余應力，因而下降程度不那么顯著。由于低應力區(qū)應力水平較低，因而也不是構(gòu)件安全的主要問題。

結(jié)論

1. 振動曲線上的N₀特征量與支撐方式有關(guān)；G_max特征量與激振力有關(guān)。即支撐方式和激振力決定了振動曲線。只有選擇適合的支撐方式和激振力，才能使被處理工件有效起振。

2. 殘余應力的下降程度與初始應力狀態(tài)有關(guān)，即高應力區(qū)下降幅度較大，低應力區(qū)下降相對較小。因此，可認為振動處理可提高應力均化的程度。

3. 只要工藝選擇恰當，振動時效可用于超厚板制作的剛性較大的焊接結(jié)構(gòu)。