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、沖壓部件便會在焊接過程中產(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。而振動時效工藝具有生產(chǎn)周期短、消除應(yīng)力顯著、不受環(huán)境場地限制等優(yōu)點。

應(yīng)用振動時效工藝消除箱形結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力，通過試驗對比分析，研究振動時效對長直焊縫殘余應(yīng)力大小、分布及底板平面度、硬度的影響。

實驗材料及設(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振動時效設(shè)備，采用高速變頻伺服電機(jī)，激振力大、壽命長、時效效果好。

檢測儀器采用JHMK多點殘余應(yīng)力測試系統(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，自動實時計算殘余應(yīng)力，并實時顯示和保存應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值，測量直觀明了，精度高。

振動時效工藝方法

取4件箱形結(jié)構(gòu)件左右對稱布置于振動平臺上，結(jié)構(gòu)件做4點固定支撐，支撐點選在平臺振動時波節(jié)及附近位置。激振器放在中間對稱位置上，這種振動模型阻力小，易于獲得較大振幅的共振。

為取得zui佳振動效果，根據(jù)箱形結(jié)構(gòu)件特點、自身質(zhì)量、殘余應(yīng)力的大小及分布，選取振動時效的時間為30min。

殘余應(yīng)力測量方法

采用盲孔法對焊縫中的殘余應(yīng)力進(jìn)行測量。測量前，對測試焊縫的表面進(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直徑為1.5mm，深2.0mm的盲孔。將待測長直焊縫劃分為2個測區(qū)Ⅰ和Ⅱ。其中Ⅰ測區(qū)中的6個測點均分布在長直焊縫，從左至右順序標(biāo)記為1、2、3、4、5、6；Ⅱ測區(qū)中的4個測點其中前2個測點位于長直焊縫的引弧端，后2個測點位于熄弧端，測點標(biāo)記為1#、2#、3#、4#。各測區(qū)振前與振后的測點相等，振前測點位于振后測點左側(cè)，相距10mm。

殘余應(yīng)力測試結(jié)果及分析

為避免單件測量誤差對分析結(jié)果的影響，將4件箱形結(jié)構(gòu)件相同位置的測量結(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，對測量結(jié)果進(jìn)行以下分析。

如圖1所示，長直焊縫引弧位置zui大主殘余應(yīng)力高于熄弧位置。振動時效后，zui大主殘余應(yīng)力幅值較振動時效前明顯減小。前者是因為焊接過程中的熱輸入相當(dāng)于對構(gòu)件進(jìn)行預(yù)熱，使得熄弧位置溫度場的變化更加均勻，焊后應(yīng)力較??；后者在于振動時效使得構(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，振動時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。通過振動時效處理箱形結(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)件在使用過程中不會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

結(jié)論

1.振動時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.通過振動時效處理，箱形結(jié)構(gòu)的底面平面度尺寸穩(wěn)定性增強(qiáng)，滿足了設(shè)計要求。