振動荷載對焊縫的影響

第六章振動時效對金屬構(gòu)件的作用振動處理的主要作用是降低和均化構(gòu)件中的殘余應(yīng)力。因此，殘余應(yīng)力對金屬構(gòu)件機(jī)械性能的影響，通過振動時效處理都可以得到消除或降低。這也是振動處理技術(shù)能夠得到廣泛應(yīng)用并進(jìn)一不擴(kuò)大其適用范圍的依據(jù)。而熱時效的試樣其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度值均下降。下面做個試驗(yàn)。用 16Mn鋼材，制備三組焊接試二、材料斷裂韌性的測試和分析制備標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣，仍然按上述三種情況處理。用多試樣阻力曲線法測試材料Jic二、材料斷裂韌性的測試和分析制備標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣，仍然按上述三種情況處理。用多試樣阻力曲線法測試材料Jic值，利用計(jì)算機(jī)控制停機(jī)點(diǎn)并計(jì)算結(jié)果，見圖1。圖中每條曲線為三組試樣的均值，每組試樣有效點(diǎn)不少于5個。將圖1中所得的臨界J積分值Jic利用公式一、金屬材料的抗拉性能試驗(yàn)結(jié)果下表為非合金結(jié)構(gòu)鋼和碳素鋼焊接試樣在未經(jīng)任何處理、振動處理及熱處理三種工況后的抗拉試驗(yàn)結(jié)果，表明振動處理基本上不改變材料的抗拉性能。表1 試樣抗拉性能試驗(yàn)鋼處理方式屈服點(diǎn)？s(MPa抗拉強(qiáng)度?b(MPa)延伸率5(%)不處理331.47517.8125.5普通結(jié)構(gòu)鋼振動處理327.55506.0424.0退火231.44448.1833.0碳素鋼不處理461.91675.7013.0振動處理472.69686.4914.5(0.4一0.5%c)退 火301.07557.0418.5樣：其中一組未經(jīng)任何處理；一組做了熱時效處理，處理?xiàng)l件按JB741---80《鋼制焊接壓力容器技術(shù)條件》規(guī)定工藝進(jìn)行；另一組采用振動時效，其激振應(yīng)力為 Z動=98.07MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2與表1數(shù)據(jù)相比說明兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致， 所不同的是表1中給出的結(jié)果是熱處理后的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均下將，而表 6中的結(jié)果是沒有變化，這是與處理工藝有關(guān)。但振動時效不改變材料抗拉性能這一點(diǎn)是一致的。表2 16Mn 鋼材試樣抗拉性能試驗(yàn)性能工況zs(MPaZb(MPa)6(%)書(％)E(GMP)g不處理391.30544.0918.5073.00209.80.30振動時效392.28549.1918.5074.00204.90.28熱處理392.28544.2919.6071.00209.80.26圖b三種處理結(jié)果4001 十8200 ... [-1)Ju=87.5A545.0802(未處理)jR-104J4+719J5Aa(熱時放)*=108.56+71532Aa(振動時效)0.2 0.3 04 05AanunKic=[E/ffl-詳)町創(chuàng)/2換算為◎值:結(jié)果柚別加44為隔枷m皿耒時如49131A*1AA振動口寸效、4S54MPa*mmi/2熱時效?從結(jié)果看出，用振動時效處理的材料斷裂韌性比未時效處理的提高10%根據(jù)斷裂力學(xué)理論可知，斷裂安全的判據(jù)為：KiAKic⑴式中乂宜 酬口：Ki=Yo ⑵ 則有；Yol盂WKjc(3)對裂紋長慣 0為工作應(yīng)力(包括殛余應(yīng)力)； Y為試樣形狀系數(shù)振動時效后材料的殘余應(yīng)力得到消除和均化，而彥斤裂韌性提高，也就是公式中的“壓降低，Kicffi的增大。樨動時效無疑對金雇構(gòu)件防止脆性斷裂的能力有很犬的提高。三、振動處理對材料疲勞極限的影響振動處理對材料疲勞性能的影響是個有爭議的問題。這也影響了振動處理技術(shù)在承受疲勞荷裁構(gòu)件上或壓力容器上的應(yīng)用。近年來許多研究人員做了大量的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果是令人滿意的，并且也是重要的。實(shí)驗(yàn)采用兩種不同方式處理的試樣：（1）焊后未做任何處理。（2）焊后振動消除應(yīng)力。試樣是在同一塊板料上切取毛坯，按照同樣的工藝對焊，然后切取試樣加工。制備上述兩種試樣各一尺寸如圖2所示。為為了說3尺寸如圖2所示。為為了說3。從表中可見振動處明1234°、5678910應(yīng)變值697-220657-117673-155690-120670-165120焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，分別對兩種試件進(jìn)行了測試：選標(biāo)距為 1mm的單向電阻應(yīng)變片貼在試件上表面的焊縫區(qū)內(nèi)，如圖3所示。沿A—A刻面切開同時測量釋放應(yīng)變，計(jì)算出的殘余應(yīng)力見表H2試樣尺寸（mnj理的試驗(yàn)件其殘余應(yīng)力下降幅度為 59.50%。S3試樣殘余應(yīng)力測試貼片圖表3殘余應(yīng)力測試結(jié)果振動蹴未處理 圖4曲線1亦 1『處理方法￡x(X10-6)￡y(X10-6)Zx(X10MPa)Zy(X10MPa)未處理-122612727.415.56振動處理-53517911.11-0.43振動時效處理參數(shù)依據(jù)二分之一荷載法來確定，即荷載幅值為疲勞荷載幅值的二分之一，而最小值與疲勞荷載的最小值相等。所以振動處理的參數(shù)為： 荷載：Pmax=812.5kgf，Pmin=375kgf;頻率：200Hz;周數(shù)：7.5X106。實(shí)驗(yàn)方式為三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，在2噸高頻試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，保持應(yīng)力比為丫=0.3。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4,圖4為由表4數(shù)據(jù)得到的S—N曲線。從曲線上可見， 經(jīng)振動處理的試件其S—N曲線明顯高于未處理件，二者的疲勞極限分別為442MPa和424MPa提高5%振動處理可以提高金屬材料的疲勞極限已被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但是提高的比例大小，是與試件的初始狀態(tài)有關(guān)的，如果初始?xì)堄鄳?yīng)力大，則因振動處理后殘余應(yīng)力消除的比例大而提高疲勞極限的比例也大?？墒且跇?biāo)準(zhǔn)試件上產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，相對于結(jié)構(gòu)件來說是困難的。因此，用振動處理提高材料疲勞極限的比例，與用振動處理提高構(gòu)件疲勞壽命的比例是不同的。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表 單位：（10MPa）試樣狀態(tài)編號最大應(yīng)力Zmax最小應(yīng)力Zmin應(yīng)力Za平均應(yīng)力Zm壽命NX106未處理161.7718.5343.2440.157.5263.1118.9344.1741.022.5356.3516.9239.4836.6610.03~4~67.1420.1446.9943.640.85561.7718.5343.2440.1510.1664.5019.3445.1241.891.95775.1922.5652.6448.870.68864.5019.3445.3241.893.56振動時效1163.1118.9344.1741.027.251267.1420.1446.9943.641.861364.5019.3445.1241.894.51464.5019.3445.1241.8962.31561.7718.5343.2440.1510.11663.1118.9344.1741.020.101769.8220.9548.8845.380.931875.1922.3652.6448.870.8311972.5121.7550.7647.130.845振振動時效在穩(wěn)定工件尺寸精度、提高抗靜、動態(tài)荷載變型能力方面，均優(yōu)于熱時效。這也是機(jī)床行業(yè)大量應(yīng)用振動時效工藝的原因之一。這是很多實(shí)例已經(jīng)證實(shí)了的。-、振動時效對零件尺寸精度的影響國內(nèi)外大量試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)證明，振動時效可使工件在長期使用中精度變化量比熱時效小，工件尺寸穩(wěn)定所需要的時間比熱時效要短。因此說振動時效對于穩(wěn)定工件的尺寸精度具有良好的作用。齊齊哈爾第一機(jī)床廠對C5116A的滑枕的尺寸穩(wěn)定性做了對比性檢測，將 9件滑枕靜置在陳舊的水泥地面上，每月用合向水平儀檢測一次平直性，共觀測六個月。其中02、06、07號滑枕未作任何處理。01和03,04和05號滑枕采用串接式振動處理。用一階固有頻率激振25分鐘后，再用二、三階共振頻率個激振 2~5分鐘。08、09號滑枕在550熱時效并保溫6小時后，隨爐冷至200'C出爐。全部試樣均在22C±2C下分七段（每段橋距200mm，測02導(dǎo)軌的平直性，測量精度2um/m。對01、03、04、和05號試樣，在振前、振后各測一次觀測其最大變形為量為 24um說明振動處理使變形量提前在六個月的檢測中，未時效件共測量 144段，振動處理件測量192段，熱時效件測量96段。其結(jié)果如下：月最大變形為未時效件8um,振動時效件4.4um，熱時效件4.8um。表53um以上的變形段數(shù)為未時效件 30個，占總測量段數(shù)的20.8%;振動時效件20個，占總測量段數(shù)的10.4%表5未時效件振動時效件熱時效件最大月變形um1488測量頻數(shù)289306204變形量6um以上頻數(shù)3689相對頻數(shù)12.5%2.6%4.4%變形量9um以上頻數(shù)700相對頻數(shù)2.4%00Pm熱時效件有11個，占總測量段數(shù)的11.4%。表6和表7是C163床身尺寸穩(wěn)定性檢測結(jié)果。該床身為 4500X500X600mm重量為1.5t。用8件靜置半年，每月測其導(dǎo)軌的平直性。每件分 17個測量段，每段橋距為200mm表6未時效件振動時效件熱時效件大月累計(jì)最大變形27um12um14um測量頻數(shù)454530

變形量Iium以上變形量變形量Iium以上變形量9um以上變形量7um以上頻數(shù)2934相對頻數(shù)64.4%6.7%8.9%頻數(shù)40913相對頻數(shù)89%20%43%頻數(shù)422419相對頻數(shù)91%53.3%42.2%從表5和表6中可見，熱時效和振動時效均可使最大變形減少一半以上， 且大變形的頻數(shù)顯著降低。 如月變形量6um以上的頻數(shù)，未時效件是振動時效的4.8倍，是熱時效件的2.9倍。而累計(jì)變形就更加明顯，變形11um以上的頻數(shù)，未時效件是熱時效件 7.2倍，是振動時效件的9.6倍。振動時效和熱時效都起著使尺寸穩(wěn)定而提高精度保持性的作用，而振動時效更優(yōu)于熱時效。這已為國內(nèi)外大量試驗(yàn)驗(yàn)證了而得到了廣泛的應(yīng)用。二、振動時效提高工件抗靜、動荷載變形能力的作用振動時效使構(gòu)件的塑形變形在使用前提前發(fā)生，并降低殘余應(yīng)力。因此振后的工件其彈性性能要比未振工件強(qiáng)，其抗靜、動荷載變形能力比熱時效工件還要好。為了測定工件抗靜、動荷載變形的能力，做一個有關(guān)的試驗(yàn)。選用如圖5所示的試樣六件（應(yīng)力框），每兩件為一組。分別做未時效、熱時效和振動時效三種不同處理，表面加工至△6,并選如圖5所示1—7處為測點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)工況為抗靜載能力測試和抗動載能力測試。1、抗靜載能力試驗(yàn)沒加荷載之前先測1—7點(diǎn)翹曲量。然后再在材料試驗(yàn)機(jī)上平放，支距為200mm在7點(diǎn)處加靜荷載1.4t，持續(xù)5分鐘后卸下按同樣方法進(jìn)行變形量的測量，結(jié)果列于表 7中。表7 變形量試數(shù)據(jù)表(um)變形量范圍未時效件振動時效件熱時效件頻數(shù)（次）相對頻數(shù)％頻數(shù)（次）相對頻數(shù)％頻數(shù)（次）相對頻數(shù)％0—50758.31083.3650.060—10000216.718.3110-160541.700541.7表7中說明，在靜荷載作用下，未時效件落在 110?160um的大變形占總測點(diǎn)的41.7%，熱時效也占41.7%，而振動時效件卻為0。而小變形點(diǎn)（0?50un），未時效件占58.3%，熱時效占50%而振動時效件占83.3%。試驗(yàn)結(jié)果說明，熱時效降低了工件抗靜載變形的能力，而振動時效卻提高了工件抗靜載變形能力25%以上。2、抗動載能力的試驗(yàn)同靜載試驗(yàn)一樣，在沒加動荷載之前測各點(diǎn)的翹曲量。再將應(yīng)力框以懸臂夾持，并用振動臺以50Hz頻率進(jìn)行振動處理20分鐘。取下后測量各點(diǎn)的變形。結(jié)果如表 8所示。狀態(tài)未時效件振動時效件熱時效件變形量（um）頻數(shù)（次）相對頻數(shù)％頻數(shù)（次）相對頻數(shù)％頻數(shù)（次）相對頻數(shù)％10~30975.012100866.740~6018.300216.770~100216.700216.7從表8中可以看出，振動時效件的測點(diǎn)全落在小變形段上。大變形段上振動時效測點(diǎn)為 0,而熱時效件與未時效件相等。不難得出結(jié)論：振動時效同樣提高了工件抗動載變形的能力，而熱時效卻降低了工件抗動載變形的能力。30%左右,30%左右,處理而改變?，F(xiàn)以表7和表8給出的結(jié)果來說明。一、振動時效處理對A272F—0139并條機(jī)車面殘余應(yīng)力的影響表9得實(shí)驗(yàn)中用多組試樣做了經(jīng)振動時效和熱時效后殘余應(yīng)力變化的對比性試驗(yàn)，得出結(jié)論是振動時效與熱時效相比在消除殘余應(yīng)力的功能上基本相近，而熱時效更好一些。實(shí)測A272F—0139并條機(jī)車面的殘余應(yīng)力結(jié)果如表9。由表中可見，由于試樣在爐內(nèi)放置位置不相同，使結(jié)果相差較大。試樣 6放在爐門處消除的比例最小。1處理而改變。現(xiàn)以表7和表8給出的結(jié)果來說明。一、振動時效處理對A272F—0139并條機(jī)車面殘余應(yīng)力的影響表9得實(shí)驗(yàn)中用多組試樣做了經(jīng)振動時效和熱時效后殘余應(yīng)力變化的對比性試驗(yàn)，得出結(jié)論是振動時效與熱時效相比在消除殘余應(yīng)力的功能上基本相近，而熱時效更好一些。實(shí)測A272F—0139并條機(jī)車面的殘余應(yīng)力結(jié)果如表9。由表中可見，由于試樣在爐內(nèi)放置位置不相同，使結(jié)果相差較大。試樣 6放在爐門處消除的比例最小。1--2061060100圖7殘余應(yīng)力120測量貼片圖1—8為主管貼片為支管貼片表10得實(shí)驗(yàn)給出了振動時效對焊接殘余應(yīng)力影響的測試結(jié)果。試樣為工程上常用的T編號狀態(tài)日撇前（X10MPa）時效后（X10MPa）消除比例（％Z1Z2Z1Z2Z1Z21振動時效7.546.806.005.0820.425.4213.3010.286.386.0059.544.1310.316.617.044.7431.828.54熱時效10.387.786.576.1936.720.4510.387.785.071.6151.234.8610.387.789.078.0712.6增加3.5表9 殘余應(yīng)力值對比表型焊接管、振動處理對焊接管節(jié)點(diǎn)焊址處殘余應(yīng)力的影響節(jié)點(diǎn)，該試樣系采用無縫鋼管手工電弧焊制而成的。 試樣制作按中國《海上平臺入級與建造規(guī)范？的有關(guān)要求執(zhí)行并經(jīng)探傷檢驗(yàn)。LTDtd12007.02195.0159表10 試件參數(shù)（mm試件材料為普通碳素鋼，其化學(xué)成分與機(jī)械性能如下表所示元素成分含量（％機(jī)械性能CPSSiMnZsZb支管0.110.0300.0510.0070.022306.6442.3主管0.150.0270.0520.0180.009328.7445表11 材料化學(xué)成分與機(jī)械性能表 冶應(yīng)力單位MPa參數(shù)a=L/DB==d/Dr=D/2Tn=t/T數(shù)值5.7490.72615.640.714表12試樣幾何參數(shù)抗動載能力提高1—3倍，抗溫度變形能力也提高近 30%與經(jīng)熱時效的鑄件相比，振動處理件的抗靜載的能力提高40%以上，抗動載能力提高70%振動處理對構(gòu)件殘余應(yīng)力的影響振動處理的關(guān)鍵在于調(diào)整殘余應(yīng)力，因此殘余應(yīng)力對材料機(jī)械性能的影響以及殘余應(yīng)力對構(gòu)件變形的影響都將因振動試樣的殘余應(yīng)力測試是在焊接成型后和經(jīng)過振動時效后兩種工況下進(jìn)行的。振動處理是在支管端部施加激振，如圖6中P所示。測點(diǎn)分布如圖7。表13為T型管節(jié)點(diǎn)在振動處理前后的殘余主應(yīng)力測試結(jié)果。圖 8為上述各測點(diǎn)沿焊址且垂直焊縫的應(yīng)力分布圖。從表中數(shù)據(jù)和圖中曲線可見，振動處理對消除T型管節(jié)點(diǎn)的殘余應(yīng)力起著重要作用： 它可以降低焊接殘余應(yīng)力20%至80%對殘余應(yīng)力的分布起著明顯的均化作用， 高殘余應(yīng)力區(qū)消除比例大，而低應(yīng)力區(qū)消除比例小；殘余應(yīng)力消除的比例與振動處理時動應(yīng)力的大小成正比。動應(yīng)力大的點(diǎn)消除應(yīng)力的比例大，而動應(yīng)力小的點(diǎn)消除的比例小。20|Or(10JIPa) 振動處理前一0—振動處理后)/-*■/ \ 八十*q■X10-o— ， /表13芒m表131 1! '__1 *1 120° 1I 1寧 21 1 1如40°e【0。1000120**占八、、 a 部位振動處理前(MPa振動處理后(MPaZ1Z2Z1Z21號主管98.635.529.4-18215.9-42.614.9-223-10.7-74.620.2-31.94111.775.361.7-73.95113.9-15.171.4-14.96104.723.164.2-21.17203.355.446.55.189669.384.02.01/支管62.2-37.521.9-70.42/36.1-66.05.5-753/13.3-72.811.1-544/50.5-102.432.248.75/57.3-42.755.238.06/42.4-21.423.7-647/93.48.912.4-68.48/66.010.047.037.4振動處理對焊接構(gòu)件疲勞壽命的影響關(guān)于振動處理對焊接構(gòu)件疲勞壽命的影響問題國內(nèi)外一直有著不同的看法。 由于振動處理荷載與構(gòu)件承受的疲勞荷載相似，因此一種推論認(rèn)為振動處理減短了構(gòu)件的疲勞壽命。而另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為由于在振動處理過程中殘余應(yīng)力的降低和均化從而延長了疲勞壽命。這兩種觀點(diǎn)均未經(jīng)充分的試驗(yàn)驗(yàn)證。從前述得實(shí)驗(yàn)結(jié)果出發(fā)提出用振動處理可以提高焊接構(gòu)件疲勞壽命的推論， 并用對焊板試驗(yàn)件的“振動處理”與“非處理”兩工況下疲勞壽命的對比試驗(yàn)來加以驗(yàn)證。大量的試驗(yàn)結(jié)果證明了振動處理可以提高材料的力學(xué)性能，其中包括材料的斷裂韌性得到提高，裂紋擴(kuò)展速率降低、疲勞極限得到提高。這些都是提高結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的關(guān)鍵因素。因此振動處理可以提高焊接構(gòu)件疲勞壽命的結(jié)論，已被下述試驗(yàn)給予驗(yàn)證。試驗(yàn)方法、試件：用尺寸為50X30X12mm勺鋼板條，每兩根在端部對焊成一體做為試件。三根做材性試驗(yàn)，四根經(jīng)振動處理后做疲勞試驗(yàn)，五根直接進(jìn)行疲勞試驗(yàn)而不做任何處理。試驗(yàn)方法在兩噸高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上做純彎曲疲勞試驗(yàn)。1、試驗(yàn)結(jié)果九個勺試件疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果列在表15中，其中五件（編號1、2、3、89）未經(jīng)任何處理，直接在疲勞機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。其應(yīng)力幅為 25MPa—310MPa五個試件勺疲勞壽命平均值為4.5x10次。表6.14NNo表6.14NNo處理工況疲勞壽命（X10）未時效件平均壽命時效件平均壽命時效提高壽命百分比1未時效4.954.5X10-55.67X10-525.3%2未時效4.153未時效3.434時效4.785時效6.846時效6.897時效5.158未時效4.989未時效5.07試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表另外四件（編號4、5、6、7）在進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)之前，進(jìn)行過振動時效處理：在同一疲勞機(jī)上，用25MPa