姚強　張子嬰　韓彪　楊一男　錢繼校　張鑫

摘要：針對振動時效工藝對傳統(tǒng)攤鋪機熨平機架熱時效工藝的可替代性問題，運用盲孔法測試熱時效和振動時效工藝下熨平機架的焊接殘余應(yīng)力，得到試件的焊接殘余應(yīng)力消除率指標。對試驗試件進行加工，結(jié)合自然時效的方法，將試件靜置7個月，得到不同工藝處理后，剩余焊接殘余應(yīng)力對試件剛性變形的影響。通過對滿足剛性要求的試件進行施工驗證，得到不同工藝對試件結(jié)構(gòu)強度以及施工質(zhì)量的影響指標。

關(guān)鍵詞：熨平機架；振動時效；熱時效；焊接殘余應(yīng)力

0? ?引言

焊接殘余應(yīng)力過高容易造成構(gòu)件的剛性變形、焊接裂紋擴展，從而降低結(jié)構(gòu)的承載能力[1-4]。常用的焊接殘余應(yīng)力去除方法包括自然時效、熱時效和振動時效[5]。針對路面機械結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域，自然時效由于處理時間過長，不能滿足實際使用要求，未被采用。振動時效在軍工、航天、船舶、鉆采等領(lǐng)域，應(yīng)用相對成熟[6-8]，在路面機械領(lǐng)域，北方加工廠家受熱時效傳統(tǒng)技術(shù)的影響使用較少。

而相對振動時效工藝而言，熱時效具有污染大、效率低、時間長、能耗大和費用高的缺點[9-11]，尤其是近幾年，受疫情的影響，原材料成本的升高，使其問題更加凸顯，所以加快振動時效技術(shù)在該領(lǐng)域的滲透，是適應(yīng)當前環(huán)境，保證企業(yè)綠色、健康發(fā)展的可行性出路之一。

目前，國內(nèi)關(guān)于攤鋪機實際產(chǎn)品的公開資料多集中在結(jié)構(gòu)構(gòu)型上，針對其關(guān)鍵部件工藝的研究較為少見。為此，本文采用1.5m攤鋪機熨平機架作為研究對象，采用亞共振振動時效和熱時效對試驗件進行處理，運用盲孔法檢測振動時效試件和熱時效試件的焊接殘余應(yīng)力，并計算去除率，然后對試驗件進行機械加工，靜置7個月，研究不同工藝下，剩余焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)變形的影響，最后通過實際裝配驗證，判斷不同工藝對試驗件強度和工作質(zhì)量的影響，確定振動時效工藝對熨平結(jié)構(gòu)加工制造的適用性，為以后同類產(chǎn)品工藝的改進、替代提供參考。

1? ?焊接殘余應(yīng)力測試

熱時效試驗件采用傳統(tǒng)熱處理工藝進行處理，振動時效試驗件采用亞共振試驗設(shè)備處理，運用盲孔法測試時效試驗件的焊接殘余應(yīng)力，通過對比焊縫、熱影響區(qū)及母材的焊接殘余應(yīng)力，得到不同工藝下的焊接殘余應(yīng)力消除率。

1.1? ?盲孔法殘余應(yīng)力測試

工件的應(yīng)力測試采用小孔法。小孔法是目前公認的較為準確的殘余應(yīng)力測試方法，其原理如圖1所示，假設(shè)一個各向同性材料上某一區(qū)域內(nèi)存在一般的殘余應(yīng)力場，最大、最小主應(yīng)力分別為σ₁和σ₂，在該區(qū)域粘貼專用應(yīng)變花，在應(yīng)變花中心打一小孔，引起孔邊應(yīng)力釋放，從而在應(yīng)變花絲刪區(qū)域產(chǎn)生釋放應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)變花測量的釋放應(yīng)變，計算出殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力如下：

1.2? ?振動測試系統(tǒng)的搭建

亞公振振動時效設(shè)備采用VSR-環(huán)天668型振動時效裝置，激振源采用配置偏心塊的激振電機，為更好檢測試件的振動效果，振動傳感器布置在遠離激振電機的一端[12]。試件質(zhì)量為269kg，材料為Q345鋼，彈性支撐不能過硬，否則將無法快速達到時效效果，甚至式對試件造成共振破壞，所以選擇橡膠輪胎作為支撐。振動測試系統(tǒng)如圖2所示。

1.3? ?焊接殘余應(yīng)力檢測

在焊縫中部位置垂直于焊縫方向的測試線，每條測試線布置10個測試點，其中4個測試點位于焊縫表面，另外6個測試點位于焊縫背面熱影響區(qū)和母材上。通過測試獲得反應(yīng)焊縫垂線殘余應(yīng)力分布特性的應(yīng)力曲線。

熱時效工件焊縫測點分布如圖3所示。亞共振時效工件焊縫測點分布如圖4所示。以焊縫中心作為原點，以工件上方為正方向，選取距焊縫中心-5mm、-3mm、3mm、5mm共4個點作為焊縫上的殘余應(yīng)力測試點。

熱時效工件熱影響區(qū)及母材測點分布如圖5所示。亞共振時效工件熱影響區(qū)及母材測點分布如圖6所示。焊縫背面熱影響區(qū)及母材應(yīng)力測試，以焊縫中心作為原點，以工件上方為正方向，選取距焊縫中心-3mm、-1mm、1mm、3mm、5mm、7mm共六個點作為殘余應(yīng)力測試點。

2? ?靜置試驗

將不同工藝處理過的試驗件進行加工，最終尺寸加工誤差控制在±0.2mm，底面對角線理論值1580.7mm，精度控制在±0.4mm，如圖7所示。將加工好的試驗件靜置7個月。

試件測量參數(shù)如圖8所示，測量熨平箱體上下前后的邊長L₁至L₄以及底面對角線長度D₁和D₂。平面度測試，用塞規(guī)測量四個角點P₁至P₄。熨平箱體基本尺寸變化如表3所示。熨平箱體四個角點測試數(shù)據(jù)如表4所示。

3? ?工地試驗

試驗施工寬度為18.75m，瀝青上面層攤鋪，除1.5m熨平箱體外，其余尺寸箱體條件一致，如圖9所示。由于左側(cè)1.5m拼接熨平箱體主要位于第二車道，所以選擇該車道平整度作為評估參數(shù)，分別對比不同工藝處理下，熨平箱體的工作質(zhì)量。

施工結(jié)束后，每100m測量一次平整度，測量距離為10km，平整度大于0.6視為不合格，小于0.6為合格，第二車道平整度合格率大于98%，為合格。熱時效平整度均值0.436mm，振動時效0.443mm，平整度合格率均為99.97%，如圖10所示。

4? ?結(jié)束語

研究結(jié)果表明，振動時效工藝處理后的試驗件，雖然焊接應(yīng)力高于熱時效件，但不會造成結(jié)構(gòu)件的自然變形。工地試驗表明，焊接殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力疊加后不超過材料的屈服極限，殘余應(yīng)力將不會繼續(xù)松弛，尺寸剛性、強度會得到有效控制，不影響工作質(zhì)量。證明熨平箱體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制造過程中，其熱時效工藝可用振動時效工藝替代。該研究為路面機械關(guān)鍵部件的成本控制和綠色制造提供了一種工藝路徑。

參考文獻

[1] 張永紅， 漆中華， 林晨陽. 焊接殘余應(yīng)力去除能效對比分析[J]. 熱加工工藝， 2019（9）：3.

[2] 羅玉娟. 振動時效對箱形結(jié)構(gòu)件焊后應(yīng)力影響[J]. 焊接技術(shù)， 2017， 46（10）：3.

[3] 郭曉龍，王會龍，李宏偉等.振動時效對鋁合金箱體殘余應(yīng)力的影響研究[J].金屬加工（冷加工），2019（S2）：243-245.

[4] 張永紅， 漆中華， 林晨陽. 焊接殘余應(yīng)力去除能效對比分析[J]. 熱加工工藝， 2019（9）：3.

[5] 董志合， 關(guān)敬巧， 李海云. 生產(chǎn)中降低焊接件殘余應(yīng)力的措施[J]. 鑄造設(shè)備與工藝， 2018（3）：2.

[6] 徐練光， 吳本興， 楊濤，等. 振動時效應(yīng)力消除可靠性探討[J]. 航天制造技術(shù)， 2019（5）：4.

[7] 馬永波. 振動時效工藝在飛機制造中的應(yīng)用研究[J]. 新技術(shù)新工藝， 2018（8）：6.

[8] 李彥軍， 郭星魁. 振動時效工藝在鉆采設(shè)備的研究與應(yīng)用[J].化工設(shè)計通訊， 2019， 045（012）：255-256.

[9] 李兆軍. 強非線性共振式振動時效裝置的機理與設(shè)計理論研究[D]. 南寧：廣西大學， 2021.

[10] 羅麗麗， 秦代成. 振動時效效果評定方法研究[J]. 機械研究與應(yīng)用， 2017， 30（6）：4.

[11] 李春國， 黃江中， 楊尚玉， et al. 組織結(jié)構(gòu)對低碳鋼焊接構(gòu)件振動時效消除應(yīng)力效果的影響[J]. 電焊機， 2014， 44（5）：6.

[12] JB/T 5926-2005. 振動時效效果評定方法[S]. 2005.