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振動消除焊接應力頻譜諧波振動時效儀

作者：admin    發(fā)布時間：2021-01-04 17:04     瀏覽次數(shù) :

金屬構(gòu)件在機械加工過程中會產(chǎn)生導致尺寸精度和穩(wěn)定性降低的余應力，目前普遍采用熱時效和傳統(tǒng)振動時效（即亞共振時效）消除余應力。每噸工件熱時效費用至少500元，消耗180千克標準煤，排放410千克二氧化碳和13千克二氧化硫。這樣一個成本高、能耗大、污染嚴重的傳統(tǒng)工藝竟然沿用至今。而傳統(tǒng)振動時效噪音大、振型單一、效果欠佳、處理范圍受限、操作繁瑣、操作者需有豐富的工藝經(jīng)驗，特別對于高剛性、高固有頻率的工件更是傳統(tǒng)振動時效的禁區(qū)。
殘余應力對構(gòu)件變形的影響
殘余應力是一個不穩(wěn)定的應力狀態(tài)。當構(gòu)件受到外力作用時，作用應力與殘余應力相互作用，使某些局部呈現(xiàn)塑性變形，截面內(nèi)應力重新分析，當外力作用去除時整個構(gòu)件將要發(fā)生變形。所以殘余應力明顯的影響著加工后的構(gòu)件的精度。這也是機械和工程部門關心的問題之一。
實踐已證明，具有表面拉伸殘余應力的構(gòu)件其尺寸穩(wěn)定性遠遠不如具有表面壓縮殘余應力的構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性好。
殘余應力對構(gòu)件變形的影響包括兩個方面，一方面是構(gòu)件抗靜、動荷載的變形能力，另一方面是荷載卸除后變形的恢復能力。殘余應力在這兩個方面對構(gòu)建的影響是很大的，因此人們一直在研究消除這些影響的有效方法。
§2.33殘余應力對金屬脆性破壞的影響
脆性破壞是構(gòu)建在幾乎不存在塑性變形情況下的突然開裂。它在溫度突然下降或變形速度突然上升的情況下易發(fā)生。這是塑性變形處于壓抑狀態(tài)，如在突然受到較大的作用應力等原因，就易于發(fā)生存型斷裂破壞。殘余應力是作為初始應力存在于構(gòu)件內(nèi)，特別是拉伸殘余應力與作用拉應力疊加而加速了脆性破壞。
有關文獻中做了殘余應力對脆性破壞的影響實驗，吧76×91cm、厚2cm的軟鋼板對焊起來。在焊縫處沿結(jié)合方向的殘余應力是接近焊接金屬屈服極限的拉應力。
將焊好的試件的一部分作退貨處理以消除焊接應力，再與未經(jīng)退火處理的試件一起放在-13℃下冷卻，發(fā)現(xiàn)經(jīng)退火處理的時間未出現(xiàn)裂紋，而沒退火的試件即使在無外力作用下也出現(xiàn)了脆性裂紋。分析其原因是在溫度的快速下降時，材料塑性下降所引起的脆性破壞。
有關文獻中也給出類似的實驗，并得出結(jié)論：殘余應力與開裂有直接關系，且產(chǎn)生的裂紋全都是存在于拉伸殘余應力范圍內(nèi)?？梢姎堄鄳Σ粌H直接影響到裂紋的擴展，而且降低了材料脆性破壞的作用應力的臨界應力極限，加速了脆性破壞。
殘余應力產(chǎn)生的脆性破壞在焊接件中是極易發(fā)生的。某重型汽車廠生產(chǎn)的車價由于焊接裂紋而大批報廢。某造船廠鑄造的十幾噸重的大型鏈輪箱，因開箱溫度過高而室溫較低，殼體交角處從上至下出現(xiàn)斷裂裂紋，裂紋速度發(fā)展很快。這些都說明在無外力作用下而產(chǎn)生的脆性破壞是由殘余應力拉應力造成的結(jié)果。近些年來，國內(nèi)外都在大量研究殘余應力對裂紋的發(fā)生和擴展的影響。對標準試件施加定量的殘余應力是比較困難的，因此該項研究受到較大的限制而進展不快。
天津振動消除焊接應力
近十多年來，國內(nèi)外使用振動處理方法消除金屬構(gòu)件內(nèi)的殘余應力，以代替熱時效。這種新技術在國外被稱做“Vibratory Stress Relief Method”（簡稱VSR）。由于這種方法可以降低或均化構(gòu)件內(nèi)的殘余應力，因此可以提高構(gòu)件的使用強度，可以減少變形。
圖1.1振動處理構(gòu)件設備布置圖
穩(wěn)定精度，可以防止或減少由于熱時效和焊接產(chǎn)生的微觀裂紋的發(fā)生。特別是在節(jié)省能源、縮短周期上具有明顯的效果，因此被許多國家大量使用。我們在該項技術的機理和應用研究上，近些年來都取得了較大的進展。
§1—1  振動時效的特點及其發(fā)展概況
一、振動時效工藝的簡單程序
振動處理技術又稱做振動消除應力，在我國又稱做振動時效。它是將一個具有偏心重塊的電機系統(tǒng)（稱做激振器）安放在構(gòu)件上，并將構(gòu)件用橡皮墊等彈性物體支承，如圖2.1所示。通過控制器起動電機并調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，使構(gòu)件處于共振狀態(tài)。約經(jīng)20~30分鐘的振動處理即可達到調(diào)整殘余應力的目的。
可見，用振動時效技術是十分簡單和可行的。
二、振動時效工藝特點
振動時效之所以能夠部分地取代熱時效，是由于該項技術具有一些明顯的特點。
1．機械性能顯著提高
經(jīng)過振動處理的構(gòu)件其殘余應力可以被消除30%~80%左右，高拉應力區(qū)消除的比低應力區(qū)大。因此可以提高使用強度和疲勞壽命，降低應力腐蝕。
可以防止或減少由于熱處理、焊接等工藝過程造成的微觀裂紋的發(fā)生。
可以提高構(gòu)件抗變形的能力，穩(wěn)定構(gòu)件的精度，提高機械質(zhì)量。
2．適用性強
由于設備簡單易于搬動，因此可以在任何場地上進行現(xiàn)場處理。它不受構(gòu)件大小和材料的限制，從幾十公斤到幾百噸的構(gòu)件都可使用振動時效技術。特別是對一些大型構(gòu)件無法使用熱時效處理時，振動時效就具有更加突出的優(yōu)越性。
3．節(jié)省時間、能源和費用
振動時效只需30分鐘即可進行下道工序。而熱時效至少需一至二天以上，且需大量的煤油、電等能源。因此，相對于熱時效來說，振動時效可節(jié)省能源90%以上，可節(jié)省費用90%以上，特別是可以節(jié)省建造大型燜火窯的巨大投資。
天津振動消除焊接應力

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