降低水工金屬結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的有效性方法

上官林建，周宗帥，金向杰，李金興

(華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450008)

0 前言

鋼岔管是抽水蓄能電站等水利工程中廣泛使用的水工金屬結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)可靠、受力明確合理、內(nèi)部液體流態(tài)好、水頭損失小等優(yōu)點(diǎn)[1-2]?，F(xiàn)階段，鋼岔管焊接工藝的主要方式是手工電弧焊[3]。在焊接過程中，存在焊接溫度場(chǎng)不均勻?qū)е潞缚p及周圍熱影響區(qū)域產(chǎn)生較大焊接殘余應(yīng)力的問題。殘余應(yīng)力對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的承載力、疲勞及耐腐蝕性能等產(chǎn)生不利影響，是金屬焊接構(gòu)件斷裂和變形的主要原因[4-5]。因此降低殘余應(yīng)力的峰值、均化殘余應(yīng)力分布對(duì)水工金屬結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要[6-7]。

振動(dòng)時(shí)效(Vibration Stress Relief，VSR)是一種通過激振器對(duì)工件應(yīng)力集中部位施加循環(huán)載荷，降低殘余應(yīng)力、均化應(yīng)力分布的焊接后處理方式[8-12]。相比于傳統(tǒng)熱時(shí)效方法和磁處理方法，振動(dòng)時(shí)效處理方式具有操作簡(jiǎn)單高效、成本低廉、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)[13-15]，廣泛運(yùn)用于機(jī)械零配件生產(chǎn)及金屬焊接領(lǐng)域。目前關(guān)于降低水工金屬結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的方法研究較少，本文基于機(jī)械零件加工制造業(yè)相對(duì)成熟的振動(dòng)時(shí)效理論和技術(shù)，探究時(shí)效處理焊接部位達(dá)到降低焊接殘余應(yīng)力和均化應(yīng)力分布的可行性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本文以新疆某水利樞紐工程中材質(zhì)為07MnNiMoDR的“卜”型鋼岔管為試驗(yàn)對(duì)象。07MnNiMoDR屬于低合金調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，其化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表1 07MnNiMoDR的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 07MnNiMoDR的力學(xué)性能

1.2 試樣及測(cè)試點(diǎn)布置

選取的“卜”型鋼岔管的分岔角62°；岔管前主管內(nèi)徑為3200mm，岔管后鋼管內(nèi)徑均為2100mm；岔管厚度26mm，肋板厚度56mm，三維模型如圖1所示。試樣經(jīng)過焊接處理，焊縫較多且焊接殘余應(yīng)力在整條焊縫上分布，在每條焊縫選取2個(gè)測(cè)點(diǎn)，防止焊接殘余應(yīng)力在整條焊縫上分布不均勻的情況，測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。采用鉆孔應(yīng)力釋放法，對(duì)試樣鋼岔管的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量表征，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)測(cè)試點(diǎn)時(shí)效前后的焊接殘余應(yīng)力的比較。

圖1 “卜”型鋼岔管三維模型

圖2 鋼岔管測(cè)點(diǎn)位置示意圖

激振點(diǎn)放置在2個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的中心線上且不與兩點(diǎn)共線，消除激振點(diǎn)與鋼岔管同側(cè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的距離誤差導(dǎo)致的應(yīng)力測(cè)量誤差。激振點(diǎn)(A、B、C)和拾振點(diǎn)(a、b、c)的位置如圖3所示。

圖3 鋼岔管激振點(diǎn)、拾振點(diǎn)位置示意圖

1.3 試樣激振方式

本次試驗(yàn)采用機(jī)械振動(dòng)的形式對(duì)工件施加周期性激振力。激振力產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力δd與原有的焊接殘余應(yīng)力δγ之和大于材料的屈服強(qiáng)度δs，即δd+δγ>δs，使得鋼岔管焊接部位殘余應(yīng)力區(qū)的位錯(cuò)塞積群釋放[16]，從而晶體發(fā)生微觀塑形變形，應(yīng)力得以釋放。

外部激勵(lì)由TFT-LCD振動(dòng)時(shí)效裝置提供，性能參數(shù)如表3所示。激振器現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖5所示，在鋼岔管管壁的激振位置，安裝激振器支座以固定裝卡激振器，支座材料為Q235，形狀尺寸如圖4所示。

圖4 激振器支座

圖5 激振器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖片

圖6 2擋振動(dòng)時(shí)鋼岔管A點(diǎn)時(shí)效前后a-n曲線及振動(dòng)時(shí)效a-t曲線

表3 TFT-LCD裝置性能參數(shù)

1.4 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)過程包括三個(gè)階段：振前殘余應(yīng)力檢測(cè)、振動(dòng)時(shí)效處理、振后殘余應(yīng)力檢測(cè)3個(gè)階段。振動(dòng)處理前，采用鉆孔應(yīng)力釋放法測(cè)得各測(cè)點(diǎn)的焊接殘余應(yīng)力，對(duì)焊縫上的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。進(jìn)而在試樣鋼岔管A、B、C三點(diǎn)安裝激振器進(jìn)行掃頻處理，測(cè)出固有頻率，選取主振頻率和輔振頻率進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，同時(shí)激振裝置可以通過調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速來施加不同大小的激振力。振后采用鉆孔應(yīng)力釋放法測(cè)量振前所標(biāo)記點(diǎn)的殘余應(yīng)力，再次進(jìn)行比較，記錄數(shù)據(jù)。

2 時(shí)效處理及有效性判定

時(shí)效處理前，激振器初始激振擋位置于2擋，通過加速度傳感器測(cè)出多階相應(yīng)，振幅最大的振動(dòng)頻率為固有頻率。選取固有頻率作為主振頻率，其余作為輔振頻率并設(shè)置掃頻時(shí)間。振動(dòng)處理后，加速度傳感器信號(hào)經(jīng)過電荷放大器放大后通過高頻數(shù)字示波器檢測(cè)電壓信號(hào)，將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)并打印曲線。根據(jù)具體生產(chǎn)需求，逐步調(diào)高擋位，多次振動(dòng)，根據(jù)電流指示情況決定最終停止擋位。

激振點(diǎn)A點(diǎn)處管道為鋼岔管主管，與壓力管道直接連接，承受最大水頭H=157.1m，振動(dòng)時(shí)效處理時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注。A點(diǎn)初始激振設(shè)為2擋，掃頻分析后有3階響應(yīng)，固有頻率6310r/min，振幅10.3g。設(shè)置主振頻率6310r/min，輔振頻率5720r/min、4990r/min，振動(dòng)幅值10.3g，時(shí)效時(shí)間5min。對(duì)比時(shí)效前后a-n曲線可知，時(shí)效后a-n曲線振幅升高，判定該次振動(dòng)時(shí)效有效。

將振動(dòng)擋位提升至4檔和6檔，各擋掃頻所得最大振幅及對(duì)應(yīng)的共振頻率分別設(shè)置為振動(dòng)幅值和主振頻率，振動(dòng)參數(shù)設(shè)置如表4—5所示；結(jié)果如圖7—8所示。

圖7 4檔振動(dòng)時(shí)鋼岔管A點(diǎn)時(shí)效前后a-n曲線及振動(dòng)時(shí)效a-t曲線

表4 A點(diǎn)4擋振動(dòng)時(shí)激振器各項(xiàng)參數(shù)

表5 A點(diǎn)6檔振動(dòng)時(shí)激振器各項(xiàng)參數(shù)

表6 B點(diǎn)處鋼岔管支管基本參數(shù)

表7 B點(diǎn)激振擋位及對(duì)應(yīng)參數(shù)

表8 C點(diǎn)處鋼岔管支管基本參數(shù)

表9 C點(diǎn)激振擋位及對(duì)應(yīng)參數(shù)

圖7表明在激振器4擋振動(dòng)時(shí)，a-n曲線振幅升高；圖8表明在激振器6擋振動(dòng)時(shí)，a-n曲線左移，代表振后共振頻率減??；振后加速度峰值升高，判定兩次振動(dòng)時(shí)效有效。

圖8 6檔振動(dòng)時(shí)鋼岔管A點(diǎn)時(shí)效前后a-n曲線及振動(dòng)時(shí)效a-t曲線

同A點(diǎn)振動(dòng)時(shí)效處理步驟相同，B、C兩點(diǎn)根據(jù)電流指示情況，進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，具體參數(shù)如下：

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

應(yīng)變儀采用YC-Ⅲ型應(yīng)力測(cè)量?jī)x，應(yīng)變計(jì)為TJ120-15-φ15型三向電阻應(yīng)變花(靈敏系數(shù)為2.07，標(biāo)稱電阻值為120Ω)，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表10所示。鉆孔直徑1.5mm，鉆孔深度2.0mm。鉆孔(直徑1.5mm，深度2.0mm)釋放被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力，由貼在孔周圍的應(yīng)變花測(cè)得釋放的應(yīng)變量，根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算出殘余應(yīng)力和應(yīng)力方向角。

表10 應(yīng)力測(cè)量?jī)x及應(yīng)變花技術(shù)參數(shù)

表11 拉伸應(yīng)力σ1變化情況

表12 剪切應(yīng)力σ2變化情況

分別測(cè)量振動(dòng)時(shí)效處理前后的焊接殘余應(yīng)力，獲得鋼岔管試樣焊縫處的殘余應(yīng)力變化。將鋼岔管表面看成是主應(yīng)力為σ1、σ2的兩項(xiàng)應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)應(yīng)變花測(cè)得的應(yīng)變量，測(cè)出各點(diǎn)應(yīng)變值，代入以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，A=-0.0726；B=0.1514

將各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的σ1、σ2代入以下公式對(duì)鋼岔管焊縫處的焊接殘余應(yīng)力變化情況進(jìn)行表征分析。

振前殘余應(yīng)力平均值：

振后殘余應(yīng)力平均值：

焊接殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果(表13)表明，鋼岔管應(yīng)力消除率為46.9%，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)滿足焊接殘余應(yīng)力的消除要求，且振后各測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力對(duì)其平均值的差值的最大值均小于振前該值，應(yīng)力均化程度明顯(圖9)。

圖9 焊接殘余應(yīng)力等效值

表13 焊接殘余應(yīng)力消除結(jié)果

分析時(shí)效處理結(jié)果，可知對(duì)于材質(zhì)為07MnNiMoDR的工件，固有頻率在6300r/min～6400r/min之間。結(jié)合振動(dòng)時(shí)效a-t、a-n曲線，相同工件在不同頻率下的響應(yīng)是不同的。在設(shè)定頻率的振動(dòng)下，振型一定，波形中峰值處振幅較大，節(jié)點(diǎn)處振幅較小。振幅較大的地方相應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力越大，應(yīng)力消除的效果越好，節(jié)點(diǎn)處消除應(yīng)力的效果較差。同時(shí)，工件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效時(shí)，應(yīng)控制激勵(lì)周期，使得外部激勵(lì)頻率在4810r/min～6400r/min之間，從而工件能產(chǎn)生多階響應(yīng)，進(jìn)而設(shè)置多階振型，讓應(yīng)力釋放更充分。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用振動(dòng)時(shí)效處理法和鉆孔應(yīng)力釋放法，以水工金屬結(jié)構(gòu)“卜”型鋼岔管為例，研究了振動(dòng)時(shí)效處理對(duì)存在焊接工藝的水工金屬結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力消除和均化的有效性，得到以下結(jié)論。

(1)經(jīng)過振動(dòng)時(shí)效處理，材質(zhì)為07MnNiMoDR的“卜”型鋼岔管試樣焊接殘余應(yīng)力的釋放量達(dá)到46.9%。采用不同頻率、多維度的激振頻率振動(dòng)，殘余應(yīng)力峰值顯著降低且應(yīng)力分布較為均勻，且時(shí)效處理后鋼岔管的結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

(2)基于本文鋼岔管焊接處殘余應(yīng)力集中、以及自主振動(dòng)實(shí)驗(yàn)得到工件固有頻率、激振點(diǎn)位置及激振頻率等振動(dòng)時(shí)效參數(shù)，可以作為存在焊接工藝的水工金屬結(jié)構(gòu)去除焊接殘余應(yīng)力的有效方式。