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振動消除焊接應力頻譜諧波振動時效儀

作者:admin    發布時間:2021-01-04 17:04     瀏覽次數 :


金屬構件在機械加工過程中會產生導致尺寸精度和穩定性降低的余應力,目前普遍采用熱時效和傳統振動時效(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、污染嚴重的傳統工藝竟然沿用至今。而傳統振動時效噪音大、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驗,特別對于高剛性、高固有頻率的工件更是傳統振動時效的禁區。
殘余應力對構件變形的影響
殘余應力是一個不穩定的應力狀態。當構件受到外力作用時,作用應力與殘余應力相互作用,使某些局部呈現塑性變形,截面內應力重新分析,當外力作用去除時整個構件將要發生變形。所以殘余應力明顯的影響著加工后的構件的精度。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件其尺寸穩定性遠遠不如具有表面壓縮殘余應力的構件尺寸穩定性好。
殘余應力對構件變形的影響包括兩個方面,一方面是構件抗靜、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生。這是塑性變形處于壓抑狀態,如在突然受到較大的作用應力等原因,就易于發生存型斷裂破壞。殘余應力是作為初始應力存在于構件內,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,再與未經退火處理的試件一起放在-13℃下冷卻,發現經退火處理的時間未出現裂紋,而沒退火的試件即使在無外力作用下也出現了脆性裂紋。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,并得出結論:殘余應力與開裂有直接關系,且產生的裂紋全都是存在于拉伸殘余應力范圍內。可見殘余應力不僅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。
殘余應力產生的脆性破壞在焊接件中是極易發生的。某重型汽車廠生產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斷裂裂紋,裂紋速度發展很快。這些都說明在無外力作用下而產生的脆性破壞是由殘余應力拉應力造成的結果。近些年來,國內外都在大量研究殘余應力對裂紋的發生和擴展的影響。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,國內外使用振動處理方法消除金屬構件內的殘余應力,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件內的殘余應力,因此可以提高構件的使用強度,可以減少變形。
圖1.1振動處理構件設備布置圖
穩定精度,可以防止或減少由于熱時效和焊接產生的微觀裂紋的發生。特別是在節省能源、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(稱做激振器)安放在構件上,并將構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節其轉速,使構件處于共振狀態。約經20~30分鐘的振動處理即可達到調整殘余應力的目的。
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
經過振動處理的構件其殘余應力可以被消除30%~80%左右,高拉應力區消除的比低應力區大。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生。
可以提高構件抗變形的能力,穩定構件的精度,提高機械質量。
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場處理。它不受構件大小和材料的限制,從幾十公斤到幾百噸的構件都可使用振動時效技術。特別是對一些大型構件無法使用熱時效處理時,振動時效就具有更加突出的優越性。
3.節省時間、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,振動時效可節省能源90%以上,可節省費用90%以上,特別是可以節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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