振動(dòng)時(shí)效工藝在熨平機(jī)架制造中的應(yīng)用探究

姚強(qiáng)　張子?jì)搿№n彪　楊一男　錢繼?！?chǎng)?/p>

摘要：針對(duì)振動(dòng)時(shí)效工藝對(duì)傳統(tǒng)攤鋪機(jī)熨平機(jī)架熱時(shí)效工藝的可替代性問題，運(yùn)用盲孔法測(cè)試熱時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效工藝下熨平機(jī)架的焊接殘余應(yīng)力，得到試件的焊接殘余應(yīng)力消除率指標(biāo)。對(duì)試驗(yàn)試件進(jìn)行加工，結(jié)合自然時(shí)效的方法，將試件靜置7個(gè)月，得到不同工藝處理后，剩余焊接殘余應(yīng)力對(duì)試件剛性變形的影響。通過對(duì)滿足剛性要求的試件進(jìn)行施工驗(yàn)證，得到不同工藝對(duì)試件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及施工質(zhì)量的影響指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：熨平機(jī)架；振動(dòng)時(shí)效；熱時(shí)效；焊接殘余應(yīng)力

0? ?引言

焊接殘余應(yīng)力過高容易造成構(gòu)件的剛性變形、焊接裂紋擴(kuò)展，從而降低結(jié)構(gòu)的承載能力[1-4]。常用的焊接殘余應(yīng)力去除方法包括自然時(shí)效、熱時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效[5]。針對(duì)路面機(jī)械結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域，自然時(shí)效由于處理時(shí)間過長(zhǎng)，不能滿足實(shí)際使用要求，未被采用。振動(dòng)時(shí)效在軍工、航天、船舶、鉆采等領(lǐng)域，應(yīng)用相對(duì)成熟[6-8]，在路面機(jī)械領(lǐng)域，北方加工廠家受熱時(shí)效傳統(tǒng)技術(shù)的影響使用較少。

而相對(duì)振動(dòng)時(shí)效工藝而言，熱時(shí)效具有污染大、效率低、時(shí)間長(zhǎng)、能耗大和費(fèi)用高的缺點(diǎn)[9-11]，尤其是近幾年，受疫情的影響，原材料成本的升高，使其問題更加凸顯，所以加快振動(dòng)時(shí)效技術(shù)在該領(lǐng)域的滲透，是適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境，保證企業(yè)綠色、健康發(fā)展的可行性出路之一。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于攤鋪機(jī)實(shí)際產(chǎn)品的公開資料多集中在結(jié)構(gòu)構(gòu)型上，針對(duì)其關(guān)鍵部件工藝的研究較為少見。為此，本文采用1.5m攤鋪機(jī)熨平機(jī)架作為研究對(duì)象，采用亞共振振動(dòng)時(shí)效和熱時(shí)效對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行處理，運(yùn)用盲孔法檢測(cè)振動(dòng)時(shí)效試件和熱時(shí)效試件的焊接殘余應(yīng)力，并計(jì)算去除率，然后對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行機(jī)械加工，靜置7個(gè)月，研究不同工藝下，剩余焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響，最后通過實(shí)際裝配驗(yàn)證，判斷不同工藝對(duì)試驗(yàn)件強(qiáng)度和工作質(zhì)量的影響，確定振動(dòng)時(shí)效工藝對(duì)熨平結(jié)構(gòu)加工制造的適用性，為以后同類產(chǎn)品工藝的改進(jìn)、替代提供參考。

1? ?焊接殘余應(yīng)力測(cè)試

熱時(shí)效試驗(yàn)件采用傳統(tǒng)熱處理工藝進(jìn)行處理，振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)件采用亞共振試驗(yàn)設(shè)備處理，運(yùn)用盲孔法測(cè)試時(shí)效試驗(yàn)件的焊接殘余應(yīng)力，通過對(duì)比焊縫、熱影響區(qū)及母材的焊接殘余應(yīng)力，得到不同工藝下的焊接殘余應(yīng)力消除率。

1.1? ?盲孔法殘余應(yīng)力測(cè)試

工件的應(yīng)力測(cè)試采用小孔法。小孔法是目前公認(rèn)的較為準(zhǔn)確的殘余應(yīng)力測(cè)試方法，其原理如圖1所示，假設(shè)一個(gè)各向同性材料上某一區(qū)域內(nèi)存在一般的殘余應(yīng)力場(chǎng)，最大、最小主應(yīng)力分別為σ₁和σ₂，在該區(qū)域粘貼專用應(yīng)變花，在應(yīng)變花中心打一小孔，引起孔邊應(yīng)力釋放，從而在應(yīng)變花絲刪區(qū)域產(chǎn)生釋放應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)變花測(cè)量的釋放應(yīng)變，計(jì)算出殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力如下：

1.2? ?振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的搭建

亞公振振動(dòng)時(shí)效設(shè)備采用VSR-環(huán)天668型振動(dòng)時(shí)效裝置，激振源采用配置偏心塊的激振電機(jī)，為更好檢測(cè)試件的振動(dòng)效果，振動(dòng)傳感器布置在遠(yuǎn)離激振電機(jī)的一端[12]。試件質(zhì)量為269kg，材料為Q345鋼，彈性支撐不能過硬，否則將無法快速達(dá)到時(shí)效效果，甚至式對(duì)試件造成共振破壞，所以選擇橡膠輪胎作為支撐。振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

1.3? ?焊接殘余應(yīng)力檢測(cè)

在焊縫中部位置垂直于焊縫方向的測(cè)試線，每條測(cè)試線布置10個(gè)測(cè)試點(diǎn)，其中4個(gè)測(cè)試點(diǎn)位于焊縫表面，另外6個(gè)測(cè)試點(diǎn)位于焊縫背面熱影響區(qū)和母材上。通過測(cè)試獲得反應(yīng)焊縫垂線殘余應(yīng)力分布特性的應(yīng)力曲線。

熱時(shí)效工件焊縫測(cè)點(diǎn)分布如圖3所示。亞共振時(shí)效工件焊縫測(cè)點(diǎn)分布如圖4所示。以焊縫中心作為原點(diǎn)，以工件上方為正方向，選取距焊縫中心-5mm、-3mm、3mm、5mm共4個(gè)點(diǎn)作為焊縫上的殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)。

熱時(shí)效工件熱影響區(qū)及母材測(cè)點(diǎn)分布如圖5所示。亞共振時(shí)效工件熱影響區(qū)及母材測(cè)點(diǎn)分布如圖6所示。焊縫背面熱影響區(qū)及母材應(yīng)力測(cè)試，以焊縫中心作為原點(diǎn)，以工件上方為正方向，選取距焊縫中心-3mm、-1mm、1mm、3mm、5mm、7mm共六個(gè)點(diǎn)作為殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)。

2? ?靜置試驗(yàn)

將不同工藝處理過的試驗(yàn)件進(jìn)行加工，最終尺寸加工誤差控制在±0.2mm，底面對(duì)角線理論值1580.7mm，精度控制在±0.4mm，如圖7所示。將加工好的試驗(yàn)件靜置7個(gè)月。

試件測(cè)量參數(shù)如圖8所示，測(cè)量熨平箱體上下前后的邊長(zhǎng)L₁至L₄以及底面對(duì)角線長(zhǎng)度D₁和D₂。平面度測(cè)試，用塞規(guī)測(cè)量四個(gè)角點(diǎn)P₁至P₄。熨平箱體基本尺寸變化如表3所示。熨平箱體四個(gè)角點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

3? ?工地試驗(yàn)

試驗(yàn)施工寬度為18.75m，瀝青上面層攤鋪，除1.5m熨平箱體外，其余尺寸箱體條件一致，如圖9所示。由于左側(cè)1.5m拼接熨平箱體主要位于第二車道，所以選擇該車道平整度作為評(píng)估參數(shù)，分別對(duì)比不同工藝處理下，熨平箱體的工作質(zhì)量。

施工結(jié)束后，每100m測(cè)量一次平整度，測(cè)量距離為10km，平整度大于0.6視為不合格，小于0.6為合格，第二車道平整度合格率大于98%，為合格。熱時(shí)效平整度均值0.436mm，振動(dòng)時(shí)效0.443mm，平整度合格率均為99.97%，如圖10所示。

4? ?結(jié)束語

研究結(jié)果表明，振動(dòng)時(shí)效工藝處理后的試驗(yàn)件，雖然焊接應(yīng)力高于熱時(shí)效件，但不會(huì)造成結(jié)構(gòu)件的自然變形。工地試驗(yàn)表明，焊接殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力疊加后不超過材料的屈服極限，殘余應(yīng)力將不會(huì)繼續(xù)松弛，尺寸剛性、強(qiáng)度會(huì)得到有效控制，不影響工作質(zhì)量。證明熨平箱體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制造過程中，其熱時(shí)效工藝可用振動(dòng)時(shí)效工藝替代。該研究為路面機(jī)械關(guān)鍵部件的成本控制和綠色制造提供了一種工藝路徑。

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