寧夏天地奔牛實業(yè)集團(tuán)有限公司(石嘴山市 753001)

董曼淑

礦用焊接結(jié)構(gòu)連接罩的時效處理研究及應(yīng)用

寧夏天地奔牛實業(yè)集團(tuán)有限公司(石嘴山市 753001)

董曼淑

對刮板機關(guān)鍵部件焊接結(jié)構(gòu)連接罩的焊接殘余應(yīng)力引起的焊接變形問題進(jìn)行時效處理研究。采用現(xiàn)行焊接工藝對連接罩焊接后進(jìn)行振動時效、熱時效處理；然后采用盲孔法對連接罩檢測振動時效、熱時效前后的應(yīng)力分布情況并采用三坐標(biāo)進(jìn)行驗證，確定合理工藝并推廣應(yīng)用。

焊接殘余應(yīng)力 焊接變形 振動時效 熱時效

0 序 言

作為煤礦生產(chǎn)的主要運輸設(shè)備，刮板機的輸送能力決定了生產(chǎn)能力。中國的刮板機的總體設(shè)計和制造水平已接近國外同類機型，但是在關(guān)鍵部件壽命、可靠性等方面仍然存在一定差距。

1 問題分析

刮板輸送機在生產(chǎn)制造中采用了大量的焊接技術(shù)。焊接作為一種制造技術(shù)或生產(chǎn)手段，其目的是要獲得具有優(yōu)異的連接質(zhì)量和優(yōu)秀的使用性能產(chǎn)品[1]。與鉚接、螺栓連接的結(jié)構(gòu)、或者與鑄造鍛造的結(jié)構(gòu)相比較，焊接結(jié)構(gòu)有下列特點：①焊接接頭強度高；②焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活性大；③焊接接頭密封性好；④焊前準(zhǔn)備工作簡單。

焊接結(jié)構(gòu)的性能和質(zhì)量問題涉及到三個主要方面(圖1)，即溫度場、應(yīng)力和變形場以及顯微組織狀態(tài)場[2]。

圖1 三個主要方面的分解和相互影響

由于高度集中的瞬時熱輸入，在焊接過程和焊后將產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余應(yīng)力(焊接殘余應(yīng)力)及變形(焊接變形、焊接收縮、焊接翹曲)。在焊接過程中，焊接區(qū)以遠(yuǎn)高于周圍區(qū)域的速度被急劇加熱，并局部熔化。

焊接區(qū)材料受熱而膨脹，熱膨脹受到周圍較冷區(qū)域的約束，并造成熱應(yīng)力，受熱區(qū)溫度升高后屈服極限下降，熱應(yīng)力可部分地超過該屈服極限。焊接區(qū)形成了塑性的熱壓縮。冷卻后，比周圍區(qū)域相對縮短、變窄或減小。當(dāng)零件進(jìn)一步加工或在服役運行中，殘余應(yīng)力也會發(fā)生變化。焊接殘余應(yīng)力存在時，也會產(chǎn)生暫時的或永久的焊接變形。實際工作中希望在得到較高的形狀和尺寸精度的同時，具有較低的殘余應(yīng)力。

連接罩的結(jié)構(gòu)剛度大、焊縫復(fù)雜、應(yīng)力集中問題明顯，焊接后的連接罩存在幾倍于材料屈服強度的殘余應(yīng)力，如果不經(jīng)過時效，極容易引起后續(xù)機加工或使用工況下變形甚至開裂。因此焊接殘余應(yīng)力的調(diào)整是制造過程中必不可少的工序。實際生產(chǎn)中常采用振動時效的方法來處理，但焊接過程的復(fù)雜性和眾多的影響因素、非線性問題，瞬時作用以及溫度的相關(guān)性效應(yīng)等等，使得要正確描述在各種情況下產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力，并對焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行控制，從而準(zhǔn)確把握產(chǎn)品質(zhì)量變得非常困難。煤機的惡劣工作環(huán)境卻要求結(jié)構(gòu)件具有良好的可靠性，因此針對煤機制造中關(guān)鍵焊接部件焊接結(jié)構(gòu)連接罩的殘余應(yīng)力的分布規(guī)律進(jìn)行研究，以及對部件焊接結(jié)構(gòu)連接罩的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行控制，對提高刮板機關(guān)鍵部件可靠性的研究具有重大的理論及實用意義。

2 確定試驗方案

試驗具體方案為：①采用現(xiàn)行焊接工藝對連接罩進(jìn)行焊接后，進(jìn)行振動時效、熱時效處理；②采用盲孔法對連接罩檢測振動時效、熱時效前后的應(yīng)力分布情況；③采用三坐標(biāo)對精加工后的連接罩進(jìn)行變形驗證；④綜合分析確定合理工藝并推廣應(yīng)用。

3 連接罩時效方法

3.1 振動時效

振動時效是利用偏心輪和變速馬達(dá)組成的激振器使焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生共振所產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力來降低殘余內(nèi)應(yīng)力的方法，振動時效系統(tǒng)的組成如圖2所示。處理時參照的標(biāo)準(zhǔn)為國家機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5926—91《振動時效工藝參數(shù)選擇和技術(shù)要求》[3]。

3.2 熱時效

熱時效中有整體高溫回火和局部高溫回火兩種處理方式(圖3)。加熱時，由于材料在拉應(yīng)力區(qū)受拉伸而發(fā)生屈服，壓應(yīng)力區(qū)則相應(yīng)被壓縮。由于高溫階段發(fā)生了蠕變，開始出現(xiàn)了應(yīng)力松弛，而后僅伴有輕微的變形與應(yīng)力重分布[4]。

圖2 振動時效系統(tǒng)的組成

圖3 熱時效加熱爐

4 連接罩時效工藝參數(shù)

采用現(xiàn)行焊接工藝對連接罩進(jìn)行焊接后，進(jìn)行振動時效、熱時效處理。

4.1 振動時效參數(shù)

三個橡膠皮墊支撐于兩端部法蘭面；激振電機安裝于連接罩方法蘭端面，檔位1～1.5，振前自動掃頻，頻率(max)設(shè)置為6 500 Hz，加速度感應(yīng)器安裝于圓法蘭端面上，振動時間約30 min。

4.2 熱時效參數(shù)

將工件吊入臺車式電阻爐加熱達(dá)到450 ℃，保溫5 h后斷電，隨爐冷卻至200 ℃，出爐空冷。

5 應(yīng)力試驗

5.1 盲孔法試驗設(shè)備

盲孔法試驗設(shè)備包括：砂輪機、手提鉆機、電阻應(yīng)變計、應(yīng)變片等。

5.2 試驗原理

盲孔法是小孔釋放法中的一種，因其簡單易行、測量精度高而在焊接殘余應(yīng)力的測試中獲得了廣泛應(yīng)用[5]。

盲孔法的原理是在應(yīng)力場中鉆小孔，應(yīng)力的平衡受到破壞，則小孔周圍的應(yīng)力將重新調(diào)整；測量小孔附近的彈性應(yīng)變增量，就可以用彈性力學(xué)原理推算出小孔處的殘余應(yīng)力。鉆孔前將0°～45°～90°的應(yīng)變片粘貼在待測點上。x方向為平行于焊縫方向，y方向為垂直于焊縫方向(圖4)。

圖4 盲孔法的原理

5.3 試驗過程

根據(jù)連接罩的結(jié)構(gòu)確定待測焊縫位置作為數(shù)據(jù)采集點。在熱時效、振動時效前，分別在連接罩加強筋、蓋板與通體間的焊縫部位進(jìn)行打磨、貼片、鉆孔和數(shù)據(jù)采集等(圖5)。

圖5 盲孔試驗

5.4 試驗數(shù)據(jù)分析

熱時效等效應(yīng)力曲線(圖6)較平緩，各部分的殘余應(yīng)力分布均勻，后續(xù)加工的尺寸穩(wěn)定性較好。振動時效處理的連接罩等效殘余應(yīng)力分布不均勻，后續(xù)加工后會使工件產(chǎn)生變形，影響工件的形狀和尺寸精度。熱時效過程中在拉應(yīng)力顯著的區(qū)域產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力降低，整體殘余應(yīng)力趨勢為下降；而振動時效過程中，拉應(yīng)力峰值部位產(chǎn)生了較明顯的應(yīng)力降低，而其它部位的應(yīng)力則由于內(nèi)應(yīng)力的平衡效應(yīng)而變化。

圖6 應(yīng)力曲線

總體說明熱時效比振動時效去應(yīng)力的效果要好，即熱時效殘余應(yīng)力降幅大。去應(yīng)力退火后的連接罩由于應(yīng)變釋放和松弛，殘余應(yīng)力大幅減小，各區(qū)域殘余應(yīng)力值差異變小。

6 連接罩時效精加工后三坐標(biāo)測量效果驗證

6.1 三坐標(biāo)測量

連接罩精加工后利用公司三坐標(biāo)測量了連接罩各面的形位公差，其中包括同軸度、圓度、兩端面平行度、垂直度等公差要求，確定應(yīng)變影響程度(圖7)。

6.2 三坐標(biāo)數(shù)據(jù)分析

三坐標(biāo)測量結(jié)果表明，連接罩經(jīng)過熱時效的工件加工尺寸穩(wěn)定性較好，比振動時效工件其尺寸誤差?。徽f明焊接殘余應(yīng)力影響加工尺寸精度方面熱時效工件比振動時效工件偏小。

圖7 三坐標(biāo)測量

7 試驗結(jié)論及應(yīng)用

通過以上綜合分析說明，連接罩采用熱時效替代振動時效的工藝過程是可行的；采用熱時效比振動時效的消除焊接應(yīng)力效果明顯，并降低了對加工尺寸的影響因素。

近一年多在寧夏天地奔牛實業(yè)集團(tuán)有限公司范圍內(nèi)進(jìn)行了連接罩采用熱時效工藝的推廣應(yīng)用，有效的消除了焊接應(yīng)力，減少了由于焊接應(yīng)力引起的焊接變形帶來的加工尺寸誤差，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。

[1] 李榮雪.金屬材料焊接工藝[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2] 陳祝年.焊接工程師手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3] 王一力.金屬焊接國家標(biāo)準(zhǔn)匯編[M]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[4] 王建安.金屬學(xué)與熱處理[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1980.

[5] 王洪光.焊接檢驗[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2011.

2016-06-21

TG432

董曼淑，1976年出生，大學(xué)本科，高級工程師。主要從事焊接技術(shù)工作，主要研究方向低合金鋼焊接。