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振动焊接消除应力方案

2021-08-29 16:05 已有人浏览
振动时效消除应力的原理
近二十多年来,国内外出现了“振动处理技术”用来调整金属构件内的残余应力,以代替热处理技术,它属于机械作用法。这种新技术在国外被称做“Vibratory Stress Relief Method”(简称VSR)。由于这种方法可以降低或均化金属构件内的残余应力,因此可以提高构件的使用强度,减少变形,可以防止或减少由于热处理和焊接产生的微观裂纹。特别是在节省能源、处理时间上具有明显效果,因此被许多国家大量使用。
振动消除应力实际上就是用周期的动应力叠加,使局部产生塑性变形而释放应力。振动处理时,通过激振器对被处理金属构件施加一动应力,如果动应力幅与被处理的金属构件上某些点所存在的残余应力之和达到或超过材料的屈服极限时,这些点将产生晶格滑移,尽管宏观上没有达到屈服极限,也同样会产生微观的塑性变形,而且这种塑性变形往往是首先发生在残余应力最大的点上,使这些点受约束的变形得以释放从而降低了残余应力。这就是振动时效消除残余应力的机理。即
      σ>σs
式中:σ——施加在被处理件上的周期动应力。
σ——被处理件中的残余应力。
σs ——被处理件材料的屈服极限。
根据上述机理和大量实践,表明振动时效的一个突出特点是:高应力降低的比例大,特别是应力集中处,残余应力降低快。
由于振动时效的上述作用,使该项技术得到厂矿企业和国家的重视和认可,1991年制定了国家行业标准JB/T5928.91(现实行JB/T10375-2002),并在1993年被国家科委批准为“国家级科技成果重点推广计划”项目,在全国普遍推广。有机床、重型机械、冶金设备、造船、铁路、化工机械、汽车制造、核工业等机械构件都可以采用振动时效来消除应力,代替原热时效工艺。特别是振动消除应力近几年运用到国防、航空、航天等高新技术中,其中高速铁路,航天飞机发行架均采用了振动消除应力技术。
一、振动焊接技术介绍
焊接构件的振动时效技术是对已焊接成型的构件进行振动处理,用以降低和均化由於焊接造成的残余应力。而振动焊接是首先将被焊部件进行振动,且边振动边焊接,直到焊完为止。这种振动是在一定频率范围内的轻微振动,其作用如下:首先,当焊缝金属在熔溶状态时,振动可以使组织发生变化,晶粒得以细化。焊缝晶粒细化必将使材料力学性能得到提高;其次在有温度作用下,焊缝处材料屈服极限很低,因此振动很容易使热应力场得到缓解,极易发生热塑性变形,而释放受约束应变,使应力场梯度减少,故使最后的焊接残余应力得到降低或均化;第三由于振动,在结晶过程中使气泡杂质等容易上浮,氢气易排除,焊缝材料与母材过渡连接均匀、平缓,降低应力集中,提高焊接质量。因此振动焊接可以有效地防止焊接裂纹和变形,提高构件的疲劳寿命,增强机械性能。
振动焊接技术是在振动时效技术基础上发展起来的。但振动焊接技术的作用明显优於振动时效技术。振动时效技术是在构件焊好后使用的处理技术,只能对焊接残余应力起到降低和均化作用,而振动焊接技术从焊接开始就起到细化晶粒的作用,接着在热状态下通过热塑性变形来调整应变而降低残余应力。因此,可以说振动焊接从一开始就起到了防止焊接裂纹和减少变形的作用。提高焊接质量是优於振动时效技术的最突出优点。做为振动焊接,它并不要求构件必须达到共振状态,只要达到某一频率范围内且具有一定的振幅就可以,因此振动焊接技术可以在任何构件上应用。特别是在大型结构件焊接修复时,振动焊接就完全可以实现,焊后不再使用热时效处理。
在这里必须说明的是“振动焊接技术”包括两个方面,即“焊接技术”与“焊接振动技术”两个内容。这里说的“焊接技术”就是正常的焊接技术,而“焊接振动技术”就是在焊接过程中根据不同构件施加一种不同参数的机械振动。这一章就是研究关於“振动焊接”的作用和“振动焊接”的工艺参数选择原理。
二、振动焊接对焊接残余应力分布的影响
振动时效是在构件焊接完成后在常温下进行的。因此要使动应力和残余应力之和大于材料常温下的屈服极限(σS)则必须具有较大激振力。振动焊接是在焊接的整个过程中,包括降温过程在内,给被焊构件一个较轻微的振动,使焊缝在热状态下调整应变而改变热应力场,从而达到降低和均化应力。
三、振动焊接对焊缝疲劳性能的影响
焊接结构的破坏大多数是疲劳破坏,而且疲劳破坏大多数发生在焊缝附近,这是近一百年来人们所公认的。因为它是焊接结构普遍存在的问题。因此在研究振动焊接技术的时候必须研究振动焊接对疲劳性能的影响。在振动时效机理的研究中,已经实验证明:由於降低和均化了应力,使焊缝的疲劳性能增强,构件的疲劳寿命得到提高。振动焊接可以大幅度提高焊接结构件的疲劳寿命,提高率在70%以上,振动焊接确实是提高焊件疲劳寿命的有效方法。平台振动焊接(即不共振的振动焊接)提高疲劳寿命的效果优於共振的振动焊接。
四、振动焊接工艺规程
应该看到的是振动焊接和振动时效是为提高焊缝质量而在两个阶段分别采取的技术工艺过程。振动焊接是在焊接过程中进行的振动处理过程,而振动时效是在构件焊接成型后而进行的时效处理过程,前者的作用在於使晶粒细化提高材料的机械性能。降低焊接应力和变形、减少气孔和杂质并使焊接纹理细密提高宏观焊接质量。而后者则是专门用於降低和均化焊接应力,消除残余应力对变形、开裂和疲劳寿命的影响。相比较而言,尽管在消除应力方面、振动焊接起到一定的作用,但其毕竟振动很小,产生的动应力不大,因此消除主应力的效果是赶不上振动时效的效果更好。从这一点出发,对於大型构件建议工艺规程应是振动焊接与振动时效同时采用:即第一阶段在焊接过程中采用振动焊接、第二阶段采用振动时效处理这将是最佳工艺规程。
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