甘 泉

（廣西防城港務(wù)集團(tuán)有限公司港口機(jī)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(diǎn)和強(qiáng)度高、彈性模量高以及塑性和韌性好的優(yōu)勢(shì)，更適于承受沖擊以及振動(dòng)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(shí)不可避免的產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響構(gòu)件的力學(xué)性能和尺寸，對(duì)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(guò)程的不均勻溫度場(chǎng)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(gè)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(huì)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(huì)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(duì)構(gòu)件自身來(lái)說(shuō)，其實(shí)還是處于一種自相平衡的力系，當(dāng)構(gòu)件承受到荷載時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度也相對(duì)降低。

3 采用VSR振動(dòng)時(shí)效法消除構(gòu)件的應(yīng)力

對(duì)于一些無(wú)法使用熱時(shí)效處理大型厚板鋼構(gòu)件，VSR振動(dòng)時(shí)效是有效消除焊接殘余應(yīng)力的最后一道防線。振動(dòng)時(shí)效的原理是指給被時(shí)效處理的焊接件，施加一個(gè)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(duì)一定的振動(dòng)能量，同時(shí)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(cuò)位逐漸滑移并且重新纏繞、釘扎，進(jìn)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(jì)：正確地選擇時(shí)效振型方式，對(duì)焊接工件的關(guān)鍵部位適當(dāng)?shù)厥┘討?yīng)力后，振動(dòng)時(shí)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(qiáng)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(duì)異種鋼的焊接，其的尺寸穩(wěn)定性更好。特別對(duì)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(dòng)時(shí)效法不僅具有周期短、效率高而且還不存在污染的特點(diǎn)，同時(shí)也不受工件尺寸、形狀以及重量等方面的限制，通過(guò)大量的焊接施工工程實(shí)踐證明，振動(dòng)時(shí)效法對(duì)消除構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力其效果是非常明顯的。尤其對(duì)一些大型構(gòu)件無(wú)法使用熱時(shí)效處理時(shí)，振動(dòng)時(shí)效就具有更加突出的優(yōu)越性。

4 焊接工件的振動(dòng)處理具體方法及效果

盡管對(duì)焊接試件的振動(dòng)時(shí)效得到了肯定的結(jié)論，為了能證明對(duì)大型焊接工件可用振動(dòng)時(shí)效來(lái)代替熱時(shí)效，現(xiàn)選擇斗輪機(jī)塔架頭部焊接件進(jìn)行一次實(shí)際測(cè)試，其凈重量約7.5 t。由于其尺寸大、形狀復(fù)雜，振動(dòng)時(shí)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(diǎn)選擇工件在作自由振動(dòng)時(shí)侯的波節(jié)處，而且激振器安裝在工件自由振動(dòng)時(shí)的波峰處。往工件上撒砂子來(lái)進(jìn)行觀測(cè)來(lái)對(duì)波節(jié)、波峰位置進(jìn)行確定，砂子聚攏地方為波節(jié)，反之為波峰。定好支承點(diǎn)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(duì)頻率進(jìn)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(duì)頻率區(qū)）即是最佳工作頻率區(qū)域，其上的振動(dòng)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(gè)頻率。

4.3 動(dòng)應(yīng)力與激振力的選擇

在振動(dòng)時(shí)效過(guò)程中，激振器要給工件施加附加動(dòng)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(dòng)應(yīng)力在振動(dòng)時(shí)效中起著決定性作用。參照外國(guó)資料，焊接件的動(dòng)應(yīng)力通常取為35～50 MPa。動(dòng)應(yīng)力的具體大小數(shù)值可用動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀來(lái)進(jìn)行測(cè)量，其數(shù)值還可通過(guò)改變激振力的大小來(lái)進(jìn)行調(diào)整。激振力大小的計(jì)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(lái)完成，對(duì)本構(gòu)件我們選用偏心距為55。

4.4 振動(dòng)時(shí)間的確定

振動(dòng)時(shí)間與工件的結(jié)構(gòu)和重量有關(guān)，激振時(shí)間的確定基本上是以振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的宏觀特性變化來(lái)確定，但都是以單自由度振動(dòng)方程為依據(jù)，發(fā)生共振時(shí)，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(gè)構(gòu)件的質(zhì)量，帶寬Δw＝2ζwn；由算式初定振動(dòng)時(shí)間為20 min。由于存在工件尺寸太大的問(wèn)題，為了讓振動(dòng)時(shí)效產(chǎn)生更好的效果，激振器在安裝時(shí)要在不同部位安裝振動(dòng)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(jī)上較長(zhǎng)時(shí)間未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

振動(dòng)時(shí)效跟熱時(shí)效一樣，均能較大幅度地降低殘余應(yīng)力的最大絕對(duì)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(qiáng)了材料的強(qiáng)度、提高了工件的尺寸及精度穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)實(shí)際大型工件的實(shí)際測(cè)試證明，對(duì)于大型焊接件來(lái)說(shuō)，采用振動(dòng)時(shí)效進(jìn)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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