VSR工藝在消除焊接殘余應(yīng)力中的應(yīng)用

方大新

摘要：焊接殘余應(yīng)力會(huì)增加結(jié)構(gòu)件加工成本，甚至使結(jié)構(gòu)件報(bào)廢，采用VSR技術(shù)可以有效地降低焊接殘余應(yīng)力，使用方便，成本低廉。

關(guān)鍵字 焊接殘余應(yīng)力 應(yīng)力解除 振動(dòng)時(shí)效

一、VSR工藝概述

焊接結(jié)構(gòu)件在焊后會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，降低結(jié)構(gòu)件的承載能力，造成結(jié)構(gòu)件變形后，需要采取矯正措施，增加成本，甚至造成結(jié)構(gòu)件報(bào)廢。傳統(tǒng)的消除應(yīng)力的方法是采用退火等熱處理工藝，設(shè)備投資大，熱處理周期長(zhǎng)，成本高昂。本文介紹的振動(dòng)時(shí)效工藝，可以降低和均化工件的殘余內(nèi)應(yīng)力，使用方便，成本低廉，工作環(huán)境較好。

振動(dòng)時(shí)效工藝（VibrationgStressRelief縮寫(xiě)為VSR）源于西德，已在美、英、俄、日、德、法等國(guó)得到普遍應(yīng)用，它是根據(jù)工藝要求控制激振器的轉(zhuǎn)速和偏心使工件發(fā)生共振，讓工件需時(shí)效部位產(chǎn)生一定幅度、一定周數(shù)的交變運(yùn)動(dòng)并吸收能量，以便讓工件內(nèi)部發(fā)生一定的微觀粘彈塑性金屬力學(xué)變化，從而在一定程度上降低和均化工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，提高工件將來(lái)的尺寸穩(wěn)定性及疲勞壽命等性能。

振動(dòng)時(shí)效適用于碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼、不銹鋼、鑄鐵、有色金屬（銅、鋁、鋅及其合金）等材質(zhì)的鑄件、煅件、焊接件及其機(jī)加工件。

振動(dòng)時(shí)效相比熱處理可以節(jié)能95%，處理時(shí)間只需二、三十分鐘，不占場(chǎng)地，便攜，工件不需運(yùn)輸可就地處理，可插在任何工序之間多次處理，應(yīng)力均化效果好，尺寸穩(wěn)定性更好，工件表面無(wú)氧化，幾十米長(zhǎng)、數(shù)百?lài)嵵亍⑸锨l焊縫的工件都可適用。

振動(dòng)時(shí)效處理可達(dá)如下之目的：

1）、穩(wěn)定構(gòu)件尺寸精度，提高抗變形能力和變形恢復(fù)能力。

2）、調(diào)整焊接構(gòu)件的殘余應(yīng)力，改善材料的力學(xué)性能，提高使用疲勞壽命。

3）、調(diào)整焊接構(gòu)件的殘應(yīng)力分布，降低拉伸殘余應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

據(jù)報(bào)導(dǎo)，采用振動(dòng)時(shí)效工藝，構(gòu)件的殘余應(yīng)力可降低2O一80%，與熱處理相比可節(jié)約80—90%的時(shí)時(shí)間和成本。振動(dòng)處理后，材料的斷裂韌性比處理前提高20%左右，其疲勞壽命提高20—3O%。

振動(dòng)時(shí)效工藝的關(guān)鍵是激振頻率，波峰，波節(jié)、支撐點(diǎn)、激振力和振動(dòng)時(shí)間的選擇。需通過(guò)對(duì)振動(dòng)前后構(gòu)件殘余應(yīng)力的檢測(cè)和分析來(lái)確定最佳工藝參數(shù).

二、振動(dòng)時(shí)效工藝的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例

上海梅山鋼鐵公司燒結(jié)廠燒結(jié)機(jī)機(jī)大修。其中尾部水平移動(dòng)架為移動(dòng)式。該設(shè)備設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)件，外形尺寸為5660mm×3565mm×6600mm（長(zhǎng)×寬×高），總重為42994kg。其中兩側(cè)左、右欄板為薄板框形結(jié)構(gòu)件，主要由三根縱粱上鋪面板加鋼板橫筋組成，剛性較差。外形尺寸為6510mm×3565mm×260mm（長(zhǎng)×寬×高）重量為3487kg。圖紙要求進(jìn)行焊后消除焊接應(yīng)力處理。從使用角度看，也必須進(jìn)行焊后熱處理，否則在使用中欄板一旦變形，燒結(jié)臺(tái)車(chē)在彎道內(nèi)就有可能被卡死，造成停機(jī)的重大設(shè)備事故。要消除焊接應(yīng)力，原來(lái)擬采用退火方法，但工廠內(nèi)沒(méi)有這么大的退火爐。而外委處理連運(yùn)輸費(fèi)較高，而且退火后引起的構(gòu)件變形極難矯正。經(jīng)過(guò)認(rèn)真研究后提出采用振動(dòng)時(shí)效方法來(lái)降低或消除左、右欄板的焊接后的殘余應(yīng)力。

1）設(shè)備及工藝參數(shù)的選擇

1.1振動(dòng)設(shè)備

振動(dòng)設(shè)備采用江蘇揚(yáng)中某廠生產(chǎn)的wz一86型微電腦控制振動(dòng)時(shí)效裝置。該裝置具有自動(dòng)掃描后確定構(gòu)件激振頻率的功能，使用較方便。

1.2測(cè)試儀器、方法及檢測(cè)點(diǎn)的選擇

殘余應(yīng)力的檢測(cè)方法很多，有盲孔法、碰磁法、超聲法、光彈法和x衍射法。但一般認(rèn)為x衍射法既不損傷構(gòu)件表面，又比較可靠實(shí)用?？紤]到被測(cè)工件較大，測(cè)試只能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。儀器選用Bx一85便攜式x射線應(yīng)力測(cè)定儀，其測(cè)量誤差滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的士20MPa。檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)選擇構(gòu)件的主焊縫的熱影響區(qū)內(nèi)具有代表性這次檢測(cè)點(diǎn)選擇在縱粱主焊縫上。

1.3振動(dòng)參數(shù)的選擇

彈性支撐點(diǎn)采用四點(diǎn)支撐。一般講支撐點(diǎn)位置應(yīng)放在波節(jié)處.激振點(diǎn)確定在構(gòu)件當(dāng)中。實(shí)施過(guò)程中為了使振動(dòng)效果更好.選擇將激振器放置在不同位置（3～4處）進(jìn)行振動(dòng).

振動(dòng)頻率：86.7HZ

振動(dòng)應(yīng)力：>3，5MPa

振動(dòng)時(shí)間；30min，（實(shí)際每塊攔板累計(jì)振動(dòng)55min）。

2）振動(dòng)時(shí)效處理結(jié)果

振動(dòng)時(shí)效處理結(jié)果如下表

振動(dòng)時(shí)效處理效果分析

a.從振動(dòng)前焊縫殘余應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)看，其數(shù)值接近Q235鋼材強(qiáng)度極限的一半，這說(shuō)明焊接殘余應(yīng)力是比較大的，如不進(jìn)行處理有可能會(huì)影響其使用壽命。

b.從振后檢測(cè)數(shù)據(jù)看，左欄板的測(cè)試點(diǎn)1、2殘余應(yīng)力降低較多，約為70%。右欄板的3點(diǎn)下降幅度稍微小些，為38.6%。說(shuō)明支撐點(diǎn)和激振器的安裝位置可能不在波節(jié)和波峰處。若將其支撐點(diǎn)和激振器位置作適當(dāng)調(diào)整則效果更好?？傊?，根據(jù)掏件幾何形狀合理地選擇好支撐點(diǎn)位置十分重要。

三、經(jīng)濟(jì)效益分析

1）處理周期短

如采用退火來(lái)消除焊接應(yīng)力，每爐次生產(chǎn)周期為40小時(shí)。采用振動(dòng)時(shí)效處理全過(guò)程為4小時(shí).節(jié)約時(shí)間為90%。

2）節(jié)約能源

采用退火工藝，每爐次耗煤氣量約為3500m3，而振動(dòng)時(shí)效處理每處理一件僅耗電lkWh。由此可見(jiàn)同樣達(dá)到消除應(yīng)力的目的，采用振動(dòng)時(shí)效工藝可節(jié)約大量能源。

3）經(jīng)濟(jì)效益高

若采用外委退火處理.則每爐裝一件欄板.每爐次費(fèi)用為3000O元，2爐次共耗資600O0元。往返運(yùn)輸費(fèi)約5O00元，合計(jì)為65000元。采用振動(dòng)時(shí)效耗資5000元，節(jié)省了費(fèi)用60000元。這項(xiàng)技術(shù)后來(lái)得到推廣應(yīng)用，取得了很好的經(jīng)濟(jì)收益和社會(huì)效益。

四、結(jié)論

1）振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)選擇合適，振動(dòng)處理工藝可以可靠地消除或大大降低大型構(gòu)件的殘余應(yīng)力。

2）振動(dòng)時(shí)效工藝具有高效率、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)和設(shè)備簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，適合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用。

3）這次左、右欄板經(jīng)振動(dòng)時(shí)效處理后大大降低了焊接殘余應(yīng)力，振動(dòng)處理效果較好，可以滿(mǎn)足圖紙和使用上要求。

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