施秉亮，陳忠敏

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明650032）

0 前言

焊接殘余應(yīng)力是影響金屬結(jié)構(gòu)焊接件使用壽命的重要因素，為減少焊接殘余應(yīng)力，除了在焊接過程中選擇合適的焊接工藝外，通常還可采取一系列方法來降低焊接殘余應(yīng)力。

目前常用的焊接殘余應(yīng)力消除方法有：自然時效、熱處理時效、振動時效等，本文通過LXB供水工程的岔管焊后消應(yīng)，首次將超聲波振動時效運(yùn)用到水工金屬結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力處理中，取得了良好效果。

1 岔管技術(shù)參數(shù)

LXB供水工程岔管整體重222.72 t，長13 m、寬18.123 m、高8.2 m，岔管主要由14個部件組成，具體見圖1。

圖1 岔管體型示意圖

如圖所示：1.主管；2.焊柱；3.左腰梁；4.左支管；5.左彎管；6.左 U 梁；7.中支管 1；8.中支管 2；9.右U 梁；10.右彎管；11.右支管；12.右腰梁；13.腰梁翼緣補(bǔ)強(qiáng)板；14.U梁翼緣補(bǔ)強(qiáng)板。

岔管消應(yīng)要求：岔管焊后殘余應(yīng)力消除率≥50%，消應(yīng)后殘余應(yīng)力不得大于材料屈服強(qiáng)度的50%。

岔管主管、支管、彎管的材料為σ=30 mm的Q345C鋼板，焊柱的材料為 Φ600～1 200 mm的Q345C-Z25圓鋼，腰梁和U梁的材料為σ=120 mm的Q345C-Z25鋼板，腰梁和U梁的翼緣補(bǔ)強(qiáng)板為σ=60 mm的Q345C-Z25鋼板。

2 消應(yīng)方案選擇

自然時效由于周期長、占地面積大、效率低、不適合快速的市場經(jīng)濟(jì)等缺點基本已不被采用。

熱處理時效存在費(fèi)用高、能耗大、環(huán)境污染大、周期也比較長、不符合環(huán)保減排要求，并且由于本工程岔管體型大、重量大的特點，不適合本工程采用。

振動時效具有環(huán)保、節(jié)能、快速、靈活、不受工件尺寸和場地限制，時效過程中不產(chǎn)生氧化皮和時效變形的優(yōu)點，現(xiàn)在使用比較普遍。但普通振動時效只能達(dá)到30%的應(yīng)力消除率，不符合本工程的要求。

超聲波振動時效應(yīng)力消除率達(dá)80%以上，比目前消除應(yīng)力效果最好的熱處理時效還要好，而且具有振動時效的優(yōu)點，能夠達(dá)到本工程的要求，因此選擇超聲波振動時效作為本工程的消應(yīng)方式。

3 超聲波振動時效的原理和技術(shù)特點

3.1 超聲波振動時效的原理

超聲波振動時效的原理就是利用大功率設(shè)備推動沖擊工具以2 000 Hz以上的頻率沖擊金屬物體表面，由于沖擊工具的高頻、高效和聚焦下的大能量，使金屬表層產(chǎn)生較大的壓縮塑性變形；同時超聲波消應(yīng)設(shè)備產(chǎn)生的能量波改變了原有的應(yīng)力場，產(chǎn)生一定數(shù)值的壓應(yīng)力，使被沖擊部位得以強(qiáng)化（圖2）。

圖2 超聲波振動時效原理圖

從調(diào)整超聲振動頻率入手，在共振狀態(tài)下，用最小的振動能量，使工件產(chǎn)生最大的振幅，得到最大的動應(yīng)力和動能量，從而使構(gòu)件中的殘余應(yīng)力消除的更徹底。

3.2 超聲波振動時效的技術(shù)特點

（1）由于其能量聚焦性好、密度大，所以可使被其作用下的材料原子中的電子層增厚，激活能增加，從而減少原子間的結(jié)合力，使材料的塑性能大幅度提高，但在超聲波振動去掉后材料又恢復(fù)原來的機(jī)械性能；

（2）在超聲波振動的作用下極易使材料內(nèi)部的歪曲晶格恢復(fù)平衡或產(chǎn)生壓縮式變形，從而達(dá)到消除殘余應(yīng)力和預(yù)置壓應(yīng)力的目的。

4 消應(yīng)方案

4.1 消應(yīng)方案流程步驟

流程步驟見圖3。

4.2 消應(yīng)工件分析

本次要消應(yīng)處理的岔管為大型焊接構(gòu)件，體積大、重量大、焊縫多且分布復(fù)雜，特別是焊柱處集中了主管、支管、腰梁、U梁及其翼緣補(bǔ)強(qiáng)板的焊縫，由于焊接板材的厚度大、雙面施焊，焊接工藝復(fù)雜，殘余應(yīng)力難以控制。并且由于岔管消應(yīng)時已在安裝地點就位，消應(yīng)時應(yīng)對岔管進(jìn)行加固，避免在消應(yīng)中使岔管產(chǎn)生位移，從而影響安裝。

圖3 消應(yīng)方案流程圖

4.3 加固處理

利用預(yù)埋25號工字鋼和槽鋼對岔管進(jìn)行加固，加固的強(qiáng)度為向上支撐力，主要加固部位為岔管主管、支管、彎管及腰梁和U梁，保證在消應(yīng)過程中岔管不生產(chǎn)位移。

4.4 消應(yīng)設(shè)備

（1）全功能高能在線測試與調(diào)節(jié)的振動時效系統(tǒng)1臺；

（2）超聲波頻譜振動消除應(yīng)力系統(tǒng)1臺；（3）超聲波焊接應(yīng)力消除設(shè)備2臺；（4）盲孔法殘余應(yīng)力檢測儀1臺；（5）振動參數(shù)在線測試與監(jiān)控系統(tǒng)10臺。

4.5 消應(yīng)前殘余應(yīng)力檢測

岔管消應(yīng)前，選取內(nèi)壁9個點和外壁12個點作為殘余應(yīng)力檢測點，具體見表1（消應(yīng)前的檢測數(shù)值見表 2）。

應(yīng)力檢測采用HK21 A型應(yīng)力檢測儀對上述點進(jìn)行檢測，檢測方法和步驟按照盲孔法進(jìn)行。

選用專用應(yīng)變花，每個應(yīng)變花包含3個應(yīng)變計，按 0°、45°、90°分布，鉆孔直徑 1.5 mm，深度 2 mm。

4.6 消應(yīng)順序的確定

通過消應(yīng)前的焊接殘余應(yīng)力檢測，掌握應(yīng)力的大小和方向，校對應(yīng)力分析的可靠性，同時作為消應(yīng)后的應(yīng)力對比基礎(chǔ)。

對應(yīng)力集中的焊柱處，遵循從應(yīng)力較小部位往應(yīng)力高的部位進(jìn)行消除，避免應(yīng)力大幅消除造成的應(yīng)力開裂事故。

表1 殘余應(yīng)力檢測點

（1）首先對焊柱的焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行消應(yīng)，上、下兩個焊柱同時進(jìn)行消應(yīng)，焊柱消應(yīng)方向從焊柱端部往岔管主體方向移動。

（2）對腰梁、U梁的拼接焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行消應(yīng)，消應(yīng)方向從焊縫中間往兩端移動。

（3）對腰梁、U梁與管體的外壁組合焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行消應(yīng)，消應(yīng)方向由腰部往兩端移動。

（4）對腰梁、U梁與管體的內(nèi)壁組合焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行消應(yīng)，消應(yīng)方向由腰部往兩端移動。

（5）對焊柱內(nèi)壁腰梁、U梁的組合焊縫進(jìn)行消應(yīng)，消應(yīng)方向由腰部往兩端移動。

4.7 超聲波消應(yīng)參數(shù)的選擇

通過對消應(yīng)前焊接殘余應(yīng)力的分析，殘余應(yīng)力較大的部位分別位于 2A、5A、6A、2B、4B、7B、8B 處（其中2B處達(dá)到403.14 MPa），應(yīng)力較大部分基本集中在焊柱處，因此焊柱處焊縫消應(yīng)需要采用較大的輸入能量以達(dá)到消除應(yīng)力的要求。根據(jù)殘余應(yīng)力分布，消應(yīng)參數(shù)選取如下：

（1）電壓：220 V 。

（2）電流：2.2～2.8 A 。

（3）沖擊工具：扁平式（焊柱處的焊縫采用三針式）。

（4）消應(yīng)速度：焊柱處的焊縫消應(yīng)速度為50 mm/min，腰梁、U梁的拼接焊縫消應(yīng)速度為50～100 mm/min，腰梁、U梁與管體的組合焊縫消應(yīng)速度為 100～150 mm/min。

（5）消應(yīng)方法：往復(fù)式消應(yīng)。

4.8 整體振動消應(yīng)

焊縫消應(yīng)完成后，對岔管整體進(jìn)行振動消應(yīng)，進(jìn)一步降低焊接殘余應(yīng)力：

（1）在岔管的底部及側(cè)面的10個位置布置振動傳感器，以實時檢測岔管在振動處理過程中實時的振動參數(shù)，防止發(fā)生岔管位移超差，甚至是事故，同時保證整體振動消應(yīng)的效果；

（2）將激振器分別夾在腰梁和U梁上，對岔管進(jìn)行整體振動消除應(yīng)力；

（3）將激振器的激振力設(shè)置為最大值的10%左右，對工件進(jìn)行掃頻處理，并分析岔管的各個共振頻率，選擇較為合適的頻率，在實時振動狀態(tài)下逐漸加大激振力使岔管的振動加速度達(dá)到合理值，確定出最優(yōu)化的頻率組合；

（4）在最優(yōu)頻率組合下，在各個頻率及用對應(yīng)的激振力對岔管進(jìn)行整體振動處理。

4.9 消應(yīng)后應(yīng)力檢測

消應(yīng)完成后，距離消應(yīng)前選點15 mm外，同樣利用盲孔法進(jìn)行檢測。

4.10 測試結(jié)果和數(shù)據(jù)對比

見圖 4、5、表 2。

圖4 內(nèi)壁消應(yīng)前后應(yīng)力柱狀圖

圖5 外壁消應(yīng)前后應(yīng)力柱狀圖

表2 消應(yīng)前后數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)論

通過對消應(yīng)前后殘余應(yīng)力的數(shù)值對比：

岔管內(nèi)壁殘余應(yīng)力的平均消除率為84.7%，消應(yīng)后殘余應(yīng)力與屈服強(qiáng)度的平均比值為3.7%；岔管外壁殘余應(yīng)力的平均消除率為98.14%，消應(yīng)后殘余應(yīng)力與屈服強(qiáng)度的平均比值為1.7%；岔管總體殘余應(yīng)力的平均消除率為91.4%，消應(yīng)后殘余應(yīng)力與屈服強(qiáng)度的比值為2.7%。

采用超聲波振動時效方法，岔管殘余應(yīng)力消除效果明顯，達(dá)到了消應(yīng)要求，并且部分測試點從消應(yīng)前的拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，可大大提高岔管的使用壽命。