測(cè) 試 報(bào) 告
大工（2004）檢測(cè)（結(jié)構(gòu)）字 第C 006號(hào)
項(xiàng)目名稱(chēng)：鋁合金焊接件振動(dòng)時(shí)效
消除焊接殘余應(yīng)力
委托單位：寧波中兵科技有限公司
大連理工大學(xué)工程力學(xué)系
2004年8月25日
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報(bào)告提出單位：大連理工大學(xué)工程力學(xué)系
分室聯(lián)系地址：大連理工大學(xué) 工程力學(xué) 系 力學(xué)結(jié)構(gòu) 室
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電 話：84708398（分室）
鋁合金焊接件振動(dòng)時(shí)效消除焊接殘余應(yīng)力
一、前 言
目前，鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是由于鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件在焊接過(guò)程中在焊縫及近焊縫區(qū)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，而這部分殘余應(yīng)力又不宜消除，這就限制了鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的使用。殘余應(yīng)力的存在對(duì)金屬構(gòu)件的強(qiáng)度、疲勞壽命、結(jié)構(gòu)變形等方面的影響都是很大的，諸如：拉伸殘余應(yīng)力使材料的拉伸屈服極限降低 ，并使構(gòu)件疲勞強(qiáng)度下降；拉伸殘余應(yīng)力還使應(yīng)力腐蝕加速；另外殘余應(yīng)力還會(huì)降低構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性，因此，需要采用適當(dāng)工藝使之消除。振動(dòng)消除應(yīng)力技術(shù) （簡(jiǎn)稱(chēng)“VSR”)在近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，在振動(dòng)時(shí)效機(jī)理、振動(dòng)時(shí)效工藝技術(shù)和應(yīng)用研究方面，取得了突破性的成果，本項(xiàng)目受寧波中兵科技有限公司的委托，重點(diǎn)研究振動(dòng)時(shí)效工藝對(duì)鋁合金焊接殘余應(yīng)力消除效果。根據(jù)甲方提出的研究?jī)?nèi)容，結(jié)合具體情況，本室提出了以下系列試驗(yàn)，來(lái)測(cè)試鋁合金焊接件焊縫處的焊接殘余應(yīng)力，并探討采用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)降低和均化鋁合金焊接件焊縫處焊接殘余應(yīng)力工藝的效果和可行性。
二、振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的作用及原理
1、振動(dòng)時(shí)效的技術(shù)作用
振動(dòng)消除應(yīng)力技術(shù)（又稱(chēng)振動(dòng)時(shí)效技術(shù)），在我國(guó)已應(yīng)用20個(gè)年頭，全國(guó)已有1500多家企業(yè)在應(yīng)用，應(yīng)用的范圍相當(dāng)廣泛，有機(jī)床、重型機(jī)械、冶金設(shè)備、造船、航天、鐵路、化工機(jī)械、汽車(chē)制造、核工業(yè)等機(jī)械構(gòu)件都可以采用振動(dòng)時(shí)效來(lái)消除應(yīng)力，代替原熱時(shí)效工藝。其技術(shù)作用為：
①降低鑄件內(nèi)應(yīng)力20％以上，降低焊接構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力30％以上（這是國(guó)家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10375-2002中規(guī)定的最低值）。
②防止或減少鑄件、焊接構(gòu)件等的變形，以保持精度。
③減少或延緩構(gòu)件在使用中產(chǎn)生裂紋。
④提高焊接構(gòu)件疲勞壽命40％以上。
2、關(guān)于振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力的原理
近二十多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了“振動(dòng)處理技術(shù)”用來(lái)調(diào)整金屬構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力，以代替熱處理技術(shù)，它屬于機(jī)械作用法。這種新技術(shù)在國(guó)外被稱(chēng)做“Vibratory Stress Relief Method”（簡(jiǎn)稱(chēng)VSR）。由于這種方法可以降低或均化金屬構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力，因此可以提高構(gòu)件的使用強(qiáng)度，減少變形，可以防止或減少由于熱處理和焊接產(chǎn)生的微觀裂紋。特別是在節(jié)省能源、處理時(shí)間上具有明顯效果，因此被許多國(guó)家大量使用。
振動(dòng)消除應(yīng)力實(shí)際上就是用周期的動(dòng)應(yīng)力疊加，使局部產(chǎn)生塑性變形而釋放應(yīng)力。振動(dòng)處理時(shí)，通過(guò)激振器對(duì)被處理金屬構(gòu)件施加一交變應(yīng)力，如果交變應(yīng)力幅與被處理的金屬構(gòu)件上某些點(diǎn)所存在的殘余應(yīng)力之和達(dá)到材料的屈服極限時(shí)，這些點(diǎn)將產(chǎn)生晶格滑移，盡管宏觀上沒(méi)有達(dá)到屈服極限，也同樣會(huì)產(chǎn)生微觀的塑性變形，而且這種塑性變形往往是首先發(fā)生在殘余應(yīng)力最大的點(diǎn)上，使這些點(diǎn)受約束的變形得以釋放從而降低了殘余應(yīng)力。這就是振動(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)力的機(jī)理。即
σ動(dòng)＋σ殘>σs
式中：σ動(dòng)——施加在被處理件上的周期動(dòng)應(yīng)力。
σ殘——被處理件中的殘余應(yīng)力。
σs ——被處理件材料的屈服極限。
根據(jù)上述機(jī)理和大量實(shí)踐，表明振動(dòng)時(shí)效的一個(gè)突出特點(diǎn)是：高應(yīng)力降低的比例大，特別是應(yīng)力集中處，殘余應(yīng)力降低快。
由于振動(dòng)時(shí)效的上述作用，使該項(xiàng)技術(shù)得到廠礦企業(yè)和國(guó)家的重視和認(rèn)可，1991年制定了國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T5928.91（現(xiàn)實(shí)行JB/T10375-2002），并在1993年被國(guó)家科委批準(zhǔn)為“國(guó)家級(jí)科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃”項(xiàng)目，在全國(guó)普遍推廣，實(shí)踐證明振動(dòng)時(shí)效在冶金構(gòu)件上的應(yīng)用，優(yōu)于原先采用的噴油熱時(shí)效。
三、試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容
l 實(shí)驗(yàn)材料和方法
試驗(yàn)設(shè)備
振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)設(shè)備為智能振動(dòng)時(shí)效IFVSR -2000型振動(dòng)時(shí)效裝置。
試驗(yàn)方法
7A52鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件振動(dòng)時(shí)效工藝研究采用箱形結(jié)構(gòu)件。
l 鋁合金焊接件的焊接殘余應(yīng)力的測(cè)試
1、鋁合金焊接件焊接測(cè)點(diǎn)選擇：根據(jù)鋁合金焊接件結(jié)構(gòu)形式，在焊縫處選擇測(cè)點(diǎn)，每件焊縫不少于5個(gè)部位。
2、測(cè)試方法：采用盲孔法，對(duì)鋁合金焊接件焊縫進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力測(cè)試。
3、測(cè)試工況：
未處理前 2件；
振動(dòng)時(shí)效工藝處理后 2件；
振動(dòng)時(shí)效工藝處理前、后 2件；
共6件。
l 鋁合金焊接件振動(dòng)時(shí)效工藝可行性研究
根據(jù)以上鋁合金焊接件的焊接殘余應(yīng)力大小和分布狀態(tài)的測(cè)試結(jié)果，對(duì)鋁合金焊接件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，考察振動(dòng)時(shí)效處理降低和均化鋁合金焊接件焊接殘余應(yīng)力的程度。具體內(nèi)容包括：
1、對(duì)鋁合金焊接件焊接進(jìn)行合理的振動(dòng)時(shí)效處理，
鋁合金焊接件處理： 4件；
2、對(duì)鋁合金焊接件焊接做振動(dòng)時(shí)效前、后的殘余應(yīng)力測(cè)試，以觀察處理效果，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)按JB/T10375-2002標(biāo)準(zhǔn)，焊接件殘余應(yīng)力消除水平平均達(dá)到30％。
試件可以采用上述4件試件；
四、鋁合金焊接件振動(dòng)時(shí)效處理
1、振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)的選擇
經(jīng)多次反復(fù)試振，確定工藝參數(shù)如下：
圖1：處理現(xiàn)場(chǎng)布置圖
1．支承方式：鋁合金焊接件懸臂固定在工作臺(tái)上。
2．激振點(diǎn)：由于結(jié)構(gòu)的限制，激振器安裝在工作臺(tái)上，用卡具卡住。
3．拾振位置：拾振器安裝在鋁合金焊接件懸臂端。
4．激振器偏心：
智能振動(dòng)時(shí)效IFVSR -2000型設(shè)備，偏心為“2檔”。
5．激振頻率：通過(guò)掃頻由設(shè)備自動(dòng)選擇共振峰，處理時(shí)可由加速度輻值來(lái)控制。
6．處理時(shí)間： 30分鐘左右。
2、振動(dòng)處理監(jiān)測(cè)曲線與分析
4件鋁合金焊接件焊接件在振動(dòng)處理時(shí)給出了4件的監(jiān)測(cè)曲線（見(jiàn)附圖）。
根據(jù)JB/T10375-2002機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，監(jiān)測(cè)曲線中出現(xiàn)下述三種情況之一，即認(rèn)為振動(dòng)處理達(dá)到了效果：
其一，時(shí)間振幅曲線[G（T）]，隨著時(shí)間在發(fā)生變化，即上升型、下降型均可（可由曲線指示或數(shù)字顯示讀數(shù)均可）。
其二，幅頻特性曲線的對(duì)比，振后曲線峰值升高。
其三，幅頻特性曲線的對(duì)比，振后曲線峰線左移即頻率下降（可由曲線觀察或上面數(shù)字顯示看出）。
根據(jù)上述有關(guān)規(guī)定，觀察我們對(duì)4件鋁合金焊接件焊接件處理時(shí)獲得的4張曲線圖，可以看出：
第一件鋁合金焊接件Ⅰ焊接件處理曲線圖上時(shí)間－振幅曲線[G（T）]，呈上升型，峰點(diǎn)的頻率下降了125轉(zhuǎn)/分，峰值升高0.6g。
第二件鋁合金焊接件Ⅱ焊接件處理曲線圖上時(shí)間－振幅曲線[G（T）]，呈上升型，峰點(diǎn)的頻率下降了261轉(zhuǎn)/分，峰值升高0.7g。
第三件鋁合金焊接件Ⅲ焊接件處理曲線圖上時(shí)間－振幅曲線[G（T）]，呈上升型，峰點(diǎn)的頻率下降376轉(zhuǎn)/分，峰值升高1.0g。
第四件鋁合金焊接件Ⅳ焊接件處理曲線圖上時(shí)間振－幅曲線[G（T）]，呈的上升型、峰點(diǎn)頻率上升252轉(zhuǎn)/分，峰值升高1.1g。
五、焊縫焊接殘余應(yīng)力測(cè)試
為了檢測(cè)振動(dòng)時(shí)效在消除應(yīng)力方面的效果，在未處理（2件）和振動(dòng)處理前（2件）以及在振動(dòng)處理后（4件）試件上，分別在鋁合金焊接件縱向焊縫上選擇了5點(diǎn)進(jìn)行殘余應(yīng)力的檢測(cè)。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1～表4。
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圖2：鋁合金焊接件焊縫上的測(cè)點(diǎn)分布
表1: 鋁合金焊接件在未處理和振動(dòng)處理前縱向焊縫殘余應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)表
單位：MPa
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點(diǎn)號(hào)
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1
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2
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3
|
4
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5
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未處理1
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σ1
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80.90
|
100.34
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82.45
|
108.79
|
51.90
|
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σ2
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-44.57
|
-39.38
|
-32.32
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-12.79
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-25.99
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未處理2
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