箱形結(jié)構(gòu)件是由主體框架和輔助部件拼焊而成。在焊接過(guò)程中，由于熱輸入的影響，結(jié)構(gòu)中不同板厚的折彎、沖壓部件便會(huì)在焊接過(guò)程中產(chǎn)生不均勻的塑性變形。焊接完成后，構(gòu)件內(nèi)部便會(huì)殘留大量焊接應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力是造成構(gòu)件斷裂、變形及應(yīng)力腐蝕的重要原因，不僅影響結(jié)構(gòu)的承載能力還影響其使用性能。
為消除殘余應(yīng)力，廠(chǎng)家多采用傳統(tǒng)的熱處理方法，但由于受到工件尺寸、材質(zhì)及生產(chǎn)周期的制約其難于應(yīng)用。而振動(dòng)時(shí)效工藝具有生產(chǎn)周期短、消除應(yīng)力顯著、不受環(huán)境場(chǎng)地限制等優(yōu)點(diǎn)。
應(yīng)用振動(dòng)時(shí)效工藝消除箱形結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析，研究振動(dòng)時(shí)效對(duì)長(zhǎng)直焊縫殘余應(yīng)力大小、分布及底板平面度、硬度的影響。
實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備
箱形結(jié)構(gòu)件材質(zhì)為低合金高強(qiáng)鋼，構(gòu)件尺寸為750*260*240mm，質(zhì)量0.7t。箱形結(jié)構(gòu)件由U形折彎板、端板、底板及相關(guān)組件通過(guò)氣保焊焊接而成。
設(shè)備采用南京聚航科技有限公司的JH-600A1振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，采用高速變頻伺服電機(jī)，激振力大、壽命長(zhǎng)、時(shí)效效果好。
檢測(cè)儀器采用JHMK多點(diǎn)殘余應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK鉆孔裝置組成。軟件進(jìn)行設(shè)置后，自動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算殘余應(yīng)力，并實(shí)時(shí)顯示和保存應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值，測(cè)量直觀(guān)明了，精度高。
振動(dòng)時(shí)效工藝方法
取4件箱形結(jié)構(gòu)件左右對(duì)稱(chēng)布置于振動(dòng)平臺(tái)上，結(jié)構(gòu)件做4點(diǎn)固定支撐，支撐點(diǎn)選在平臺(tái)振動(dòng)時(shí)波節(jié)及附近位置。激振器放在中間對(duì)稱(chēng)位置上，這種振動(dòng)模型阻力小，易于獲得較大振幅的共振。
為取得zui佳振動(dòng)效果，根據(jù)箱形結(jié)構(gòu)件特點(diǎn)、自身質(zhì)量、殘余應(yīng)力的大小及分布，選取振動(dòng)時(shí)效的時(shí)間為30min。
殘余應(yīng)力測(cè)量方法
采用盲孔法對(duì)焊縫中的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量前，對(duì)測(cè)試焊縫的表面進(jìn)行打磨并用酒精棉去污。粘貼固定應(yīng)變片后，用打孔裝置打出一個(gè)直徑為1.5mm，深2.0mm的盲孔。將待測(cè)長(zhǎng)直焊縫劃分為2個(gè)測(cè)區(qū)Ⅰ和Ⅱ。其中Ⅰ測(cè)區(qū)中的6個(gè)測(cè)點(diǎn)均分布在長(zhǎng)直焊縫，從左至右順序標(biāo)記為1、2、3、4、5、6；Ⅱ測(cè)區(qū)中的4個(gè)測(cè)點(diǎn)其中前2個(gè)測(cè)點(diǎn)位于長(zhǎng)直焊縫的引弧端，后2個(gè)測(cè)點(diǎn)位于熄弧端，測(cè)點(diǎn)標(biāo)記為1#、2#、3#、4#。各測(cè)區(qū)振前與振后的測(cè)點(diǎn)相等，振前測(cè)點(diǎn)位于振后測(cè)點(diǎn)左側(cè)，相距10mm。
殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及分析
為避免單件測(cè)量誤差對(duì)分析結(jié)果的影響，將4件箱形結(jié)構(gòu)件相同位置的測(cè)量結(jié)果取平均值，平均值分別用1、2、3、4、5、6及1#、2#、3#、4#表示，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行以下分析。
如圖1所示，長(zhǎng)直焊縫引弧位置zui大主殘余應(yīng)力高于熄弧位置。振動(dòng)時(shí)效后，zui大主殘余應(yīng)力幅值較振動(dòng)時(shí)效前明顯減小。前者是因?yàn)楹附舆^(guò)程中的熱輸入相當(dāng)于對(duì)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)熱，使得熄弧位置溫度場(chǎng)的變化更加均勻，焊后應(yīng)力較??；后者在于振動(dòng)時(shí)效使得構(gòu)件發(fā)生共振，在激振力作用下，zui大主殘余應(yīng)力位置不斷發(fā)生微小的塑性變形，應(yīng)力松弛后主殘余應(yīng)力下降。
如圖2所示，長(zhǎng)直焊縫應(yīng)力的分布表現(xiàn)為中間高兩端底的形態(tài)，這可能是由于箱形結(jié)構(gòu)使得構(gòu)件兩端的冷卻速度高于中間位置的冷卻速度，導(dǎo)致不同位置焊縫收縮量不同而產(chǎn)生的。
圖1及圖2顯示，振動(dòng)時(shí)效能夠有效降低焊縫殘余應(yīng)力，并使得焊后殘余應(yīng)力均勻化。通過(guò)振動(dòng)時(shí)效處理箱形結(jié)構(gòu)件zui大主殘余應(yīng)力極值為179.12MPa，箱形結(jié)構(gòu)件作為高周疲勞剛性部件，負(fù)載應(yīng)力設(shè)計(jì)為110MPa，當(dāng)負(fù)載應(yīng)力與殘余應(yīng)力極值疊加后仍遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度345MPa，使得構(gòu)件在使用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。
結(jié)論
1.振動(dòng)時(shí)效顯著降低了箱形結(jié)構(gòu)焊縫殘余應(yīng)力，使應(yīng)力、硬度均勻化。
2.通過(guò)振動(dòng)時(shí)效處理，箱形結(jié)構(gòu)的底面平面度尺寸穩(wěn)定性增強(qiáng)，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。
