振動時效對抽水蓄能發(fā)電電動機磁軛焊接殘余應(yīng)力影響分析

魏 松，程廣福，丁軍鋒

（1．哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040；2．哈電發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心有限公司，黑龍江省哈爾濱市 150028；3．水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，黑龍江省哈爾濱市 150040）

0 引言

磁軛是抽水蓄能機組發(fā)電電動機的一個極其重要的部件，既是發(fā)電電動機磁路的組成部分，也是固定磁極的結(jié)構(gòu)部件，在發(fā)電電動機組運行過程中起著重要的作用。磁軛結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接影響機組的安全、可靠運行，磁軛運行過程中，磁軛受力情況復(fù)雜，需承受自身離心力、磁極離心力、磁拉力以及扭矩作用，有的還要承受熱套帶來的配合力作用[1-3]。目前，國內(nèi)外發(fā)電電動機磁軛結(jié)構(gòu)廣泛采用整圓厚鋼板制造[4]，而隨著機組尺寸的不斷增大，整張鋼板將無法滿足磁軛的尺寸，因此，由鋼板拼焊制造磁軛成為唯一的解決方案。

對于拼焊結(jié)構(gòu)磁軛，為了保證焊后機械加工過程中磁軛的尺寸精度（尤其是平面度），加工前需進行消除應(yīng)力處理，鑒于高強度鋼板，如780CF，不建議進行熱處理方法消除應(yīng)力處理，因此，嘗試采用振動時效技術(shù)來消除應(yīng)力，穩(wěn)定加工尺寸。

振動時效（vibration stress relief，VSR）又稱振動消除應(yīng)力法，其實質(zhì)是在試件的高殘余應(yīng)力區(qū)，施加動應(yīng)力與試件中殘余應(yīng)力疊加，使金屬晶體產(chǎn)生位錯運動，內(nèi)部產(chǎn)生微觀塑性變形， 殘余應(yīng)力得以釋放，達到調(diào)整和均化殘余應(yīng)力分布的目的，具有工藝簡單、效率高、能耗低等優(yōu)點，在航空、航天、兵器、發(fā)電設(shè)備、機床、模具、核工業(yè)、工程機械等各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前，振動時效消除應(yīng)力技術(shù)已列為國家重點攻關(guān)項目和重點推廣技術(shù)之一，在制造領(lǐng)域創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益[5-8]。

1 試驗過程

1.1 研究方法

根據(jù)研究需求，制造了由4塊780CF扇環(huán)形板材拼焊而成的圓環(huán)磁軛試件，在磁軛拼焊完成后，采用振動時效的方法進行消除應(yīng)力及穩(wěn)定尺寸處理，并通過振動前后焊接接頭區(qū)域的殘余應(yīng)力的分布及變化情況對振動時效的效果進行分析。此外，為了與振動時效的消除應(yīng)力效果進行對比，采用相同焊接工藝制造了另外一個相同尺寸的圓環(huán)磁軛試件，并采用熱處理的方式進行焊后消除應(yīng)力處理，并在熱處理前后對其焊接接頭區(qū)域的殘余應(yīng)力的分布及變化情況進行了測試分析。通過振動時效和熱處理時效的效果對比，進一步對振動時效的消除應(yīng)力效果進行評價。試驗中采用盲孔應(yīng)力釋放法低焊接接頭區(qū)域的殘余應(yīng)力進行測試。

1.2 振動時效前后殘余應(yīng)力測試

在磁軛試件殘余應(yīng)力測試過程中，隨機選取1條焊縫，分別對圓環(huán)內(nèi)部和外部兩個部位的殘余應(yīng)力進行了測試，測試位置如圖1所示。殘余應(yīng)力測試點垂直焊道方向分布，并以焊縫中心為對稱，分別位于焊縫中心、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材。在振動時效前后，分別對以上位置的殘余應(yīng)力進行了測試。

圖1 殘余應(yīng)力測試位置及振動時效裝配工藝Figure 1 Residual stress test location and vibration aging assembly process

在磁軛振動時效過程中，磁軛采用4點支撐，支撐點避開焊縫均勻分布，激振器裝卡于兩相鄰支撐點之間，振動時效的裝配工藝如圖1所示。

1.3 熱處理前后殘余應(yīng)力測試

在磁軛殘余應(yīng)力測試過程中，隨機選取1條焊縫，分別對圓環(huán)內(nèi)部和外部兩個部位的殘余應(yīng)力進行了測試，測試位置與振動時效試件相同。

殘余應(yīng)力測試點垂直焊道方向分布，并以焊縫中心為對稱，分別位于焊縫中心、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材，如圖2所示。在熱處理前后，分別對以上位置的殘余應(yīng)力進行了測試。

圖2 殘余應(yīng)力測試點位置分布Figure 2 Location distribution of residual stress test points

2 殘余應(yīng)力測試結(jié)果及分析

振動時效前后測得的磁軛的焊接殘余應(yīng)力值如表1所示，主應(yīng)力σ1分布如圖3所示。可以看到，焊后磁軛焊接殘余應(yīng)力峰值較高，達到600MPa以上，并且分布不均勻。振動時效處理后，殘余應(yīng)力峰值顯著降低，降至300MPa以下，并且分布較為均勻，振動時效消除應(yīng)力效果良好。

表1 磁軛振動時效前后焊接殘余應(yīng)力值Table 1 Welding residual stress values before and after vibration aging of the magnetic yoke

圖3 振動時效后磁軛焊接殘余應(yīng)力分布Figure 3 Residual stress distribution of yoke welding after vibration aging

熱處理前后測得的磁軛的焊接殘余應(yīng)力值如表2所示，主應(yīng)力σ1分布如圖4所示?？梢钥吹剑瑹崽幚砬按跑椡馊附託堄嗬瓚?yīng)力峰值達到200MPa以上，壓應(yīng)力為91MPa，并且分布不均勻；熱處理后，殘余拉應(yīng)力峰值降至75MPa，壓應(yīng)力變化不大，與熱處理前相比，應(yīng)力分布較為均勻，熱處理有一定的消除應(yīng)力效果。熱處理前磁軛外圈焊接殘余拉應(yīng)力峰值為75MPa，壓應(yīng)力為92MPa，并且分布不均勻；熱處理后，大部分拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，且峰值升高至119MPa，殘余應(yīng)力分布仍不均勻，均一化效果不明顯，熱處理效果不好。

表2 磁軛熱處理時效前后焊接殘余應(yīng)力值Table 2 Welding residual stress values before and after the yoke heat treatment and aging

圖4 熱處理前后磁軛焊接殘余應(yīng)力分布Figure 4 Residual stress distribution of yoke welding before and after heat treatment

3 結(jié)論

（1）深蓄磁軛焊后焊接殘余應(yīng)力峰值很高，且分布不均勻，振動時效后殘余應(yīng)力峰值顯著降低，且應(yīng)力分布較為均勻。采用振動時效工藝可以有效地降低磁軛的殘余應(yīng)力，并在一定程度上實現(xiàn)了應(yīng)力的均一化分布。

（2）熱處理后磁軛外圈的焊接殘余應(yīng)力峰值降低，且均一化效果較好，而內(nèi)圈殘余應(yīng)力峰值出現(xiàn)拉轉(zhuǎn)壓、峰值增大的情況，且均一化效果不明顯，熱處理時效對磁軛外圈的焊接殘余應(yīng)力消除效果較好，而內(nèi)圈的應(yīng)力消除效果不理想。

（3）與熱處理方式相比，拼焊圓環(huán)磁軛試件的振動時效消除應(yīng)力效果同樣明顯，而且均一化效果更好，鑒于振動時效技術(shù)所具有的優(yōu)勢，未來拼焊磁軛的制造過程可以采用振動時效的方法來消除應(yīng)力，穩(wěn)定加工尺寸精度。