頻譜諧波時效技術在超大高剛性焊接件上應用

李澤軍

（中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 夾江 614100）

1 前言

振動時效是利用可控的機械振動激發(fā)工件共振來實現(xiàn)消減或均化殘余應力的新技術。相對傳統(tǒng)的熱時效和自然時效工藝，振動時效具有成本低、生產周期短、使用方便、節(jié)能環(huán)保等特點，符合節(jié)能減排、綠色生產、碳達峰、碳中和的新時代要求，在制造行業(yè)得到廣泛的應用，并寄希望于取代熱時效。然而，在實際應用中傳統(tǒng)技術（如亞共振）無法實現(xiàn)對超大型高剛性焊接件的可靠消應，主要存在起振困難、強迫振動、假時效等系列問題，因此，振動時效取代的熱時效還有一定距離，需要進一步探索和研究。

胡曉東 等[1]人進行了將頻譜諧波時效新技術與熱時效分別應用于鋁合金承力構件、鑄鐵機床床身消應的對比試驗，并得出該技術優(yōu)于熱時效的結論。那么該技術能否應用于以Q345B 碳鋼為主材的超大型高剛性水工金屬焊接件并取得同樣效果呢？本文介紹依托廣西大藤峽水利樞紐工程的大壩泄水閘低孔弧門門葉的制造，開展頻譜諧波振動時效創(chuàng)新工藝探索研究。

2 試驗零件情況

廣西大藤峽水利樞紐重點應用于粵港澳大灣區(qū)水資源調配，是國家重點工程。該工程大壩泄水閘低孔弧門（長）34 m×（寬）9 m×（高）21.6 m，弧面曲率半徑（R）為33 m，單重715 t，設計擋水水頭39.00 m，弧門單體的尺寸與重量為目前世界第一。因弧門尺寸太大，只能采用模塊化分節(jié)制造后最后總拼成形。門葉被分成六節(jié)，其中：上邊節(jié)分塊（長）11.4 m×（寬）3.14 m×（厚）2.3 m，單重50 t。該分塊由主縱梁、小縱梁、吊耳座、弧形面板、隔板、筋板等多次拼焊而成，主材為Q345B，板厚在16 mm～50 mm之間，呈粗短異形結構（如圖1 所示），屬典型的超大超重高剛性復雜焊接件,焊接后各部存在較大的殘余應力且狀態(tài)復雜。為確保模塊化分節(jié)制造后期拼接精度，項目對弧門分塊制造的精度控制要求非常高，如果不能確保殘余應力充分消除或均化，尺寸精度很難控制，且高應力區(qū)的焊縫可能會隨時開裂，給工程帶來極大的質量隱患和安全風險。

圖1 弧門邊節(jié)門葉結構圖

針對弧門的消應，我公司曾采用過傳統(tǒng)亞共振時效進行過工藝試驗，但應力測試結果不是很理想，最終不得不改用熱時效。

3 亞共振時效技術應用的局限性分析

（1）振動時效機理介紹

振動時效是利用可控的機械振動，使工件在某周期性激振力作用下產生共振，產生足夠的動應力，與約束區(qū)的殘余應力疊加產生局部的微量塑性變形，從而解除約束、消減應力峰值、均化應力的分布，達到穩(wěn)定結構尺寸精度、防開裂的一種新技術。也就是，要達到消應效果，須滿足“外加動應力與殘余應力之和大于材料屈服強度，材料發(fā)生塑性變形，方可消減殘余應力”條件，即：振動時效時工件內部的應力—應變狀態(tài)應滿足應力應變模型：

（2）亞共振技術存在局限性

亞共振時效是通過振前掃描，優(yōu)先選擇一至兩個特征最明顯共振峰，并在此共振峰的亞共振區(qū)選定一個時效頻率對工件施加振動進行時效，振后再進行掃描，然后輸出記錄曲線。該技術應用于高剛性復雜焊接件振動時效時，工件內部的應力-應變狀態(tài)存在局部很難滿足應力應變模型要求，主要原因有：

1）高剛性工件的明顯特征共振峰頻率比較高，甚至遠超出激振器的最高轉速，設備會因轉速保護而自動停機，振動時效無法進行。即使勉強振動，也只是剛性的整體擺動，無法獲得有效振型，只能獲得假時效的結果；

2）超大型復雜焊接件內部殘余應力分布較廣且是多維的。單維振動的振型有效區(qū)不能覆蓋所有高應力區(qū)域，即使在某個單薄的局部找到振動型完成振動，也通過曲線評判是有效，但極有可能出現(xiàn)個別部位產生過時效，而個別部位因動應力傳遞不到位造成消應死角，即振型單一，消應不充分。

因此，亞共振技術應用于該弧門類似的超大高剛性復雜焊接件的振動時效，無法保證工件整體或局部的應力-應變狀態(tài)滿足要求，其消應效果可靠性、穩(wěn)定性不高，推廣應用存在局限性。

4 頻譜諧波振動時效技術可行性分析

（1）頻譜諧波時效技術原理

頻譜諧波時效技術采用傅立葉分析方法，通過以敲擊、振動等（不用長時間掃描）尋找十數(shù)個低次諧波，在多個低次諧波引起高次諧波累積振動，產生多方向動應力，與多維分布的殘余應力疊加，使局部產生動微量塑性變形，達到消除和勻化應力的目的[3]。

（2）頻譜諧波時效特點

1）低次諧波振動?？稍诘皖l段尋找共振峰（避免亞共振技術需要在全頻段尋找最佳共振峰）段實施振動，這樣就可以振動固有頻率超出激振電機范圍的高剛性工件。

2）多峰振動。通過傅立葉分析方法對工件頻譜進行精細分析，尋找出多個共振峰并在多個時效頻率段對工件實施振動，更適合結構復雜焊接件消應。

3）多維振動。復雜結構件應力狀態(tài)復雜而多向性。該技術可多個方向激發(fā)動應力，更高效地多向殘余應力疊加，克服了單維振動特征的傳統(tǒng)技術消應不充分的問題，更適合結構復雜結構件的振動時效。

從原理上講，頻譜諧波時效非常適合高剛性復雜焊接件消應處理，目前該技術在中小型零件消應方面取得比較好的效果，應用于超大超重高剛性復雜碳鋼焊接件的焊接后消應效果如何，不得而知，需要在典型零件進行相關試驗來驗證。

5 工藝試驗驗證

5.1 試驗方案確定

（1）確定工藝流程

科學評判振動時效工藝消應效果，需要對工件內部應力狀態(tài)的變化進行定性和定量分析，由此，確定試驗工藝流程：焊接—振前殘余應力檢測—振動時效（現(xiàn)場曲線評判）—振后應力檢測—數(shù)據分析。最終還得看大拼后的尺寸檢測結果。

（2）確定振動工藝方案

1）設備選擇。根據工藝試驗的目標，選擇海訊HX-VSR-B 型振動時效設備，該設備帶頻譜分析功能，通過對工件固有頻率譜型進行細致的三維掃描，從中優(yōu)選出5 個最佳振型進行多峰多維振動時效，基本覆蓋工件最具代表性的約束點，該部的殘余應力消除后基本滿足防止開裂、穩(wěn)定尺寸的要求。

2）支點選擇。針對工件結構剛性強的特點，盡量將支撐點間距拉開，這樣可適當降低工件的剛性，支點根據激振點位置變化進行適時調整，有利于獲得更好的振型（如圖2 所示）。為減少激振力的能量散失，提高能量傳遞效率，將各支點均采用足夠支撐力的橡膠墊進行彈性支撐，同時，考慮到工件太重，為確保能穩(wěn)定支撐，各支點采用兩塊枕木上加一厚橡膠墊。

3）激振點選擇。由于工件結構復雜、外形尺寸大，如果只設置一個激振點，能量不一定能傳遞到位，容易造成消應死角。于是，沿工件長度方向選取3 個關鍵部位設置激振點（如圖2 所示），逐點順序施振，采用多點位、多方向激振的方式，保證激振力遞到工件各部位，不留消應死角。

圖2 弧門振動時效各點位設置方案示意圖

4）激振力的選擇。由于工件板壁厚、結構復雜、重量重、剛性強，過小的激振力很難激發(fā)足夠的動應力，容易造成應力消除不充分。在保證不過載的前提下，盡量選擇大的偏心量，以獲得大的激振力，這樣就有利于激起更多的共振峰，提升振動能量輸出，提升消應效果。

（3）確定效果評判方案

振動時效效果評判通常采用曲線法，但該方法只能定性的初步判定該次振動在工件上是否產生了應力松施的效果，要定量評判應力消減或均化了多少、是否存有高應力區(qū)等,還需要進行應力測定，盲孔法是最常用的應力檢測方法[4]。于是為提高工藝試驗效果的說服力，本次試驗采取現(xiàn)場曲線法、應力檢測法與尺寸穩(wěn)定性檢測相結合的效果評判方案。

1）現(xiàn)場曲線法進行定性評判。依據標準[4]對振動時效過程記錄曲線進行現(xiàn)場評判單次振動是否有效。

2）定點應力檢測法進行定量評判。根據工件的實用工況及焊接工藝，在工件主焊縫及其它部位選擇10 個具有代表性位置作為應力檢測點如圖3 所示。標準[5]規(guī)定檢測點間距不小于8 倍孔徑，以避免鉆孔時相互應變干擾，同時，為保證檢測點的代表性，每個點位的振前與振后鉆孔位間距應盡量靠近，本次試驗中選用Φ2 的麻花鉆頭，每個點位的振前與振后鉆孔位間距控制鉆孔間距在20 mm 范圍內。分別在時效前與時效后對設定點進行殘余應力檢測與分析，從而定量地判定振動時效工藝對工件殘余應力的消減及均化的程度。

圖3 弧門關鍵部位應力檢測點位布置圖

3）尺寸穩(wěn)定性檢測。上邊節(jié)弧門分塊經振動時效后進行加工，分別在剛加工完和大拼前（間隔約1個月）對弧面的縱向曲率精度、扭曲度、橫向直線度以及上、下力傾斜度、側止水面平面度進行檢測，通過比較分析數(shù)據來判定效果。

5.2 試驗結果與分析

（1）振動時效結果

根據既定工藝方案，分別在3 個點位固定激振器，通過激振方式激發(fā)并采集工件每個點位的共振頻率譜型，利用頻譜分析軟件優(yōu)選出5 個最佳振型，并逐個進行振動時效。起振容易，未出現(xiàn)過載死機。振動時效記錄a-t 曲線如圖4～圖6 所示。曲線顯示工件在各頻段激振力作用下，傳感器采集到振幅隨時間而變化的過程，體現(xiàn)工件內部應力的變化狀況。圖示曲線顯示在3 000 r/min 以下的頻率振動加速度值變化較小,說明該工件單薄部位約束較少,殘余應力較低,結構約束或較大殘余應力主要分布在厚板、結構復雜部位。通過對該工件的振動時效記錄曲線觀測，可以看出時效處理的a-t 曲線都呈現(xiàn)上升后變平或上升后下降再變平情況，依據標準[5]評判，振動時效處理達到消應效果。

圖4 點位1 振動時效a-t 曲線

圖5 點位2 振動時效a-t 曲線

圖6 點位3 振動時效a-t 曲線

（2）應力檢測結果

根據試驗方案及工藝流程安排，采用鉆孔法對工件上特定點進行時效前、時效后的應力檢測，通過數(shù)據分析評判振動時效的實際效果。

工件主材為Q345B，其彈性模量為206 GPa，泊松比取0.25 進行應變釋放系數(shù)A/B 公式計算。振動時效前、后各點位的應力測試數(shù)據及對比情況（其點位與圖紙標識一致）見表1。

表1 振動時效前、后應力測試數(shù)據及對比情況

工件上各點檢測到振動時效前、后的平均主應力歸納為應力分布態(tài)勢曲線圖，如圖7 所示。

圖7 工件上各點時效前后的應力分布曲線圖

上述數(shù)據分析顯示：采用頻譜諧波時效新技術對弧門上邊節(jié)門分塊實施振動，各部的主應力平均值均得到大幅下降，其中：振動時效前最大主應力平均值：365.54 MPa，振動時效后最大主應力平均值：251.62 MPa。最大主應力的平均應力消除率：31.11%，應力均化度達30.10%。滿足標準JB/T 5926-2005、JB/T 10375-2002、GB/T 25712-2010 的技術要求，達到時效處理效果。

（3）弧門大拼后精度檢測結果

按照弧門制造工藝流程，門葉各分塊經焊接—振動時效—加工—大拼，從完成振動時效到最終大拼，歷時約一個月，最終檢測關鍵尺寸變化均滿足設計要求。表2 所示為弧門上邊節(jié)分塊（指定試驗件）尺寸穩(wěn)定性檢測結果，數(shù)據顯示該分塊經振動時效并加工后靜置1 個月左右，關鍵尺寸變化不大，不影響最終的大拼精度，說明經振動時效后弧門分塊尺寸穩(wěn)定性非常好。

表2 弧門上邊節(jié)分塊關鍵尺寸穩(wěn)定性檢測結果

6 結論

通過上述試驗，可以得出以下結論：

（1）振動時效a-t 間曲線顯示為上升后變平，符合標準[6]規(guī)定有效的標準，可定性表明：頻譜諧波振動時效技術應用于超大型高剛性焊接件可行；

（2）通過對該工件時效前/后的殘余應力測試數(shù)據計算分析，得知時效后焊縫殘余應力消除率為34.75%，均滿足國家標準[6]的技術要求，可從定量證明：頻譜諧波振動時效技術應用于超大型高剛性焊接件能取得很好效果；

（3）應力檢測試驗結果表明：采用頻譜諧波振動時效技術，大藤峽弧門邊節(jié)構件消應效果良好，達到取代熱時效的效果；

（4）弧門上邊節(jié)分塊尺寸穩(wěn)定性檢測結果表明：采用頻譜諧波時效技術消應，大藤峽弧門各分塊的尺寸穩(wěn)定性滿足項目需求。