降低钢结构焊接件残余应力的振动时效法

甘 泉

（广西防城港务集团有限公司港口机械厂，广西 防城港 538001）

前言

钢结构具有结构性能好和结构组织均匀的特点和强度高、弹性模量高以及塑性和韧性好的优势，更适于承受冲击以及振动荷载，故此被广泛应用在建筑领域。但由于钢结构焊接时不可避免的产生焊接残余应力，严重时会影响构件的力学性能和尺寸，对一些重要的钢构件有必要采取措施降低释放其残余的焊接应力。

1 焊接残余应力的成因

所谓焊接应力，是指焊接构件由于焊接而产生的应力。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的两个根本原因。除上述两种原因外，还有一种原因是，在焊件被刚性固定或者焊件之间发生相互牵制，也会在焊接件构件中产生焊接残余的应力，上述种种因素就会使焊接残余应力形成。

2 焊接残余应力的危害

由于焊接残余应力，在受到钢材不同板厚以及构件形状不同等条件制约下，在焊接构件中发生很复杂的应力分布。应力分布尽管很复杂，但对构件自身来说，其实还是处于一种自相平衡的力系，当构件承受到荷载时侯，比如受到拉伸以及受到压缩作用等，由于荷载引起的应力将和截面残余应力互相叠加，使得构件某些部位，提前达到了屈服强度，并且引起塑性的变形，最终导致构件刚度的降低、稳定性以及结构疲劳强度也相对降低。

3 采用VSR振动时效法消除构件的应力

对于一些无法使用热时效处理大型厚板钢构件，VSR振动时效是有效消除焊接残余应力的最后一道防线。振动时效的原理是指给被时效处理的焊接件，施加一个跟工件本身固有的谐振频率相一致的周期激振力，使其发生共振，因而使焊接工件得到相对一定的振动能量，同时工件内部金属结构发生微观的塑性变形，使歪曲的晶格错位逐渐滑移并且重新缠绕、钉扎，进而渐渐地恢复平衡状态，消除和均化了残余应力。据统计：正确地选择时效振型方式，对焊接工件的关键部位适当地施加应力后，振动时效能使残余应力可以被消除 20%～80%左右，且高应力区消除的比低应力区大。这显著提高使用强度和疲劳寿命，降低应力腐蚀，稳定焊接件的尺寸，尤其是针对异种钢的焊接，其的尺寸稳定性更好。特别对环状钢结构，稳定构件形状尺寸更具有明显的效果。另外，振动时效法不仅具有周期短、效率高而且还不存在污染的特点，同时也不受工件尺寸、形状以及重量等方面的限制，通过大量的焊接施工工程实践证明，振动时效法对消除构件焊接残余应力其效果是非常明显的。尤其对一些大型构件无法使用热时效处理时，振动时效就具有更加突出的优越性。

4 焊接工件的振动处理具体方法及效果

尽管对焊接试件的振动时效得到了肯定的结论，为了能证明对大型焊接工件可用振动时效来代替热时效，现选择斗轮机塔架头部焊接件进行一次实际测试，其净重量约7.5 t。由于其尺寸大、形状复杂，振动时效要想达到预期的效果，须适当遵循一定的规律，具体方法如下：

4.1 合理选择支承与激振器的位置

支承点选择工件在作自由振动时侯的波节处，而且激振器安装在工件自由振动时的波峰处。往工件上撒砂子来进行观测来对波节、波峰位置进行确定，砂子聚拢地方为波节，反之为波峰。定好支承点后，用木块加上橡胶垫做为支承。

4.2 激振频率的选择

在小激振力条件下，对频率进行扫描，查出一阶共振频率，其应位于亚共振区（最大振幅1/3～2/3所对频率区）即是最佳工作频率区域，其上的振动比较稳定、效果好，而且也可避免产生应变硬化、软化以及疲劳损坏。最后选择3 710 r/min、5 840 r/min、4 670 r/min这三个频率。

4.3 动应力与激振力的选择

在振动时效过程中，激振器要给工件施加附加动应力，其跟工件中残余应力相叠加，由此产生的塑性变形可以使工件的残余应力发生松弛、均化及消除，并且提金属工件的抗变形能力，所以焊接动应力在振动时效中起着决定性作用。参照外国资料，焊接件的动应力通常取为35～50 MPa。动应力的具体大小数值可用动态电阻应变仪来进行测量，其数值还可通过改变激振力的大小来进行调整。激振力大小的计算公式如下：

F＝（Q/g）eX2sinwt

其中，Q：偏心块的重量；g：重力加速度；e：偏心距；X：激振频率。

激振力靠偏心距的调整来完成，对本构件我们选用偏心距为55。

4.4 振动时间的确定

振动时间与工件的结构和重量有关，激振时间的确定基本上是以振动系统参数的宏观特性变化来确定，但都是以单自由度振动方程为依据，发生共振时，振幅为 P＝me/（2Mtζ），式中，m为偏心质量，e为偏心距，ζ为阻尼系数，Mt为整个构件的质量，带宽Δw＝2ζwn；由算式初定振动时间为20 min。由于存在工件尺寸太大的问题，为了让振动时效产生更好的效果，激振器在安装时要在不同部位安装振动两次。

4.5 效果

完成激振后所有焊缝 UT探伤均合格，外型尺寸偏差小于±1 mm，该构件已用在整机上较长时间未发现任何质量问题。

5 结束语

振动时效跟热时效一样，均能较大幅度地降低残余应力的最大绝对值，减小残余应力的值，残余应力的分布也更趋于均化分布，从而增强了材料的强度、提高了工件的尺寸及精度稳定性。通过对实际大型工件的实际测试证明，对于大型焊接件来说，采用振动时效进行处理是可行的，仍然能获得降低、均化残余应力，以及稳定几何尺寸、精度的效果。

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