振动荷载对焊缝的影响

第六章振动时效对金属构件的作用振动处理的主要作用是降低和均化构件中的残余应力。因此，残余应力对金属构件机械性能的影响，通过振动时效处理都可以得到消除或降低。这也是振动处理技术能够得到广泛应用并进一不扩大其适用范围的依据。而热时效的试样其屈服强度和抗拉强度值均下降。下面做个试验。用 16Mn钢材，制备三组焊接试二、材料断裂韧性的测试和分析制备标准三点弯曲试样，仍然按上述三种情况处理。用多试样阻力曲线法测试材料Jic二、材料断裂韧性的测试和分析制备标准三点弯曲试样，仍然按上述三种情况处理。用多试样阻力曲线法测试材料Jic值，利用计算机控制停机点并计算结果，见图1。图中每条曲线为三组试样的均值，每组试样有效点不少于5个。将图1中所得的临界J积分值Jic利用公式一、金属材料的抗拉性能试验结果下表为非合金结构钢和碳素钢焊接试样在未经任何处理、振动处理及热处理三种工况后的抗拉试验结果，表明振动处理基本上不改变材料的抗拉性能。表1 试样抗拉性能试验钢处理方式屈服点？s(MPa抗拉强度?b(MPa)延伸率5(%)不处理331.47517.8125.5普通结构钢振动处理327.55506.0424.0退火231.44448.1833.0碳素钢不处理461.91675.7013.0振动处理472.69686.4914.5(0.4一0.5%c)退 火301.07557.0418.5样：其中一组未经任何处理；一组做了热时效处理，处理条件按JB741---80《钢制焊接压力容器技术条件》规定工艺进行；另一组采用振动时效，其激振应力为 Z动=98.07MPa。实验结果见表2与表1数据相比说明两次实验结果基本一致， 所不同的是表1中给出的结果是热处理后的屈服强度与抗拉强度均下将，而表 6中的结果是没有变化，这是与处理工艺有关。但振动时效不改变材料抗拉性能这一点是一致的。表2 16Mn 钢材试样抗拉性能试验性能工况zs(MPaZb(MPa)6(%)书(％)E(GMP)g不处理391.30544.0918.5073.00209.80.30振动时效392.28549.1918.5074.00204.90.28热处理392.28544.2919.6071.00209.80.26图b三种处理结果4001 十8200 ... [-1)Ju=87.5A545.0802(未处理)jR-104J4+719J5Aa(热时放)*=108.56+71532Aa(振动时效)0.2 0.3 04 05AanunKic=[E/ffl-详)町创/2换算为◎值:结果柚别加44为隔枷m皿耒时如49131A*1AA振动口寸效、4S54MPa*mmi/2热时效•从结果看出，用振动时效处理的材料断裂韧性比未时效处理的提高10%根据断裂力学理论可知，断裂安全的判据为：KiAKic⑴式中乂宜 酬口：Ki=Yo ⑵ 则有；Yol盂WKjc(3)对裂纹长惯 0为工作应力(包括殛余应力)； Y为试样形状系数振动时效后材料的残余应力得到消除和均化，而彦斤裂韧性提高，也就是公式中的“压降低，Kicffi的增大。樨动时效无疑对金雇构件防止脆性断裂的能力有很犬的提高。三、振动处理对材料疲劳极限的影响振动处理对材料疲劳性能的影响是个有争议的问题。这也影响了振动处理技术在承受疲劳荷裁构件上或压力容器上的应用。近年来许多研究人员做了大量的实验，结果是令人满意的，并且也是重要的。实验采用两种不同方式处理的试样：（1）焊后未做任何处理。（2）焊后振动消除应力。试样是在同一块板料上切取毛坯，按照同样的工艺对焊，然后切取试样加工。制备上述两种试样各一尺寸如图2所示。为为了说3尺寸如图2所示。为为了说3。从表中可见振动处明1234°、5678910应变值697-220657-117673-155690-120670-165120焊接产生的残余应力，分别对两种试件进行了测试：选标距为 1mm的单向电阻应变片贴在试件上表面的焊缝区内，如图3所示。沿A—A刻面切开同时测量释放应变，计算出的残余应力见表H2试样尺寸（mnj理的试验件其残余应力下降幅度为 59.50%。S3试样残余应力测试贴片图表3残余应力测试结果振动蹴未处理 图4曲线1亦 1『处理方法£x(X10-6)£y(X10-6)Zx(X10MPa)Zy(X10MPa)未处理-122612727.415.56振动处理-53517911.11-0.43振动时效处理参数依据二分之一荷载法来确定，即荷载幅值为疲劳荷载幅值的二分之一，而最小值与疲劳荷载的最小值相等。所以振动处理的参数为： 荷载：Pmax=812.5kgf，Pmin=375kgf;频率：200Hz;周数：7.5X106。实验方式为三点弯曲疲劳试验，在2吨高频试验机上进行，保持应力比为丫=0.3。试验数据见表4,图4为由表4数据得到的S—N曲线。从曲线上可见， 经振动处理的试件其S—N曲线明显高于未处理件，二者的疲劳极限分别为442MPa和424MPa提高5%振动处理可以提高金属材料的疲劳极限已被实验验证。但是提高的比例大小，是与试件的初始状态有关的，如果初始残余应力大，则因振动处理后残余应力消除的比例大而提高疲劳极限的比例也大。可是要在标准试件上产生较大的残余应力，相对于结构件来说是困难的。因此，用振动处理提高材料疲劳极限的比例，与用振动处理提高构件疲劳寿命的比例是不同的。

表4 试验数据表 单位：（10MPa）试样状态编号最大应力Zmax最小应力Zmin应力Za平均应力Zm寿命NX106未处理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振动时效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振振动时效在稳定工件尺寸精度、提高抗静、动态荷载变型能力方面，均优于热时效。这也是机床行业大量应用振动时效工艺的原因之一。这是很多实例已经证实了的。-、振动时效对零件尺寸精度的影响国内外大量试验和实际应用已经证明，振动时效可使工件在长期使用中精度变化量比热时效小，工件尺寸稳定所需要的时间比热时效要短。因此说振动时效对于稳定工件的尺寸精度具有良好的作用。齐齐哈尔第一机床厂对C5116A的滑枕的尺寸稳定性做了对比性检测，将 9件滑枕静置在陈旧的水泥地面上，每月用合向水平仪检测一次平直性，共观测六个月。其中02、06、07号滑枕未作任何处理。01和03,04和05号滑枕采用串接式振动处理。用一阶固有频率激振25分钟后，再用二、三阶共振频率个激振 2~5分钟。08、09号滑枕在550热时效并保温6小时后，随炉冷至200'C出炉。全部试样均在22C±2C下分七段（每段桥距200mm，测02导轨的平直性，测量精度2um/m。对01、03、04、和05号试样，在振前、振后各测一次观测其最大变形为量为 24um说明振动处理使变形量提前在六个月的检测中，未时效件共测量 144段，振动处理件测量192段，热时效件测量96段。其结果如下：月最大变形为未时效件8um,振动时效件4.4um，热时效件4.8um。表53um以上的变形段数为未时效件 30个，占总测量段数的20.8%;振动时效件20个，占总测量段数的10.4%表5未时效件振动时效件热时效件最大月变形um1488测量频数289306204变形量6um以上频数3689相对频数12.5%2.6%4.4%变形量9um以上频数700相对频数2.4%00Pm热时效件有11个，占总测量段数的11.4%。表6和表7是C163床身尺寸稳定性检测结果。该床身为 4500X500X600mm重量为1.5t。用8件静置半年，每月测其导轨的平直性。每件分 17个测量段，每段桥距为200mm表6未时效件振动时效件热时效件大月累计最大变形27um12um14um测量频数454530

变形量Iium以上变形量变形量Iium以上变形量9um以上变形量7um以上频数2934相对频数64.4%6.7%8.9%频数40913相对频数89%20%43%频数422419相对频数91%53.3%42.2%从表5和表6中可见，热时效和振动时效均可使最大变形减少一半以上， 且大变形的频数显著降低。 如月变形量6um以上的频数，未时效件是振动时效的4.8倍，是热时效件的2.9倍。而累计变形就更加明显，变形11um以上的频数，未时效件是热时效件 7.2倍，是振动时效件的9.6倍。振动时效和热时效都起着使尺寸稳定而提高精度保持性的作用，而振动时效更优于热时效。这已为国内外大量试验验证了而得到了广泛的应用。二、振动时效提高工件抗静、动荷载变形能力的作用振动时效使构件的塑形变形在使用前提前发生，并降低残余应力。因此振后的工件其弹性性能要比未振工件强，其抗静、动荷载变形能力比热时效工件还要好。为了测定工件抗静、动荷载变形的能力，做一个有关的试验。选用如图5所示的试样六件（应力框），每两件为一组。分别做未时效、热时效和振动时效三种不同处理，表面加工至△6,并选如图5所示1—7处为测点。实验工况为抗静载能力测试和抗动载能力测试。1、抗静载能力试验没加荷载之前先测1—7点翘曲量。然后再在材料试验机上平放，支距为200mm在7点处加静荷载1.4t，持续5分钟后卸下按同样方法进行变形量的测量，结果列于表 7中。表7 变形量试数据表(um)变形量范围未时效件振动时效件热时效件频数（次）相对频数％频数（次）相对频数％频数（次）相对频数％0—50758.31083.3650.060—10000216.718.3110-160541.700541.7表7中说明，在静荷载作用下，未时效件落在 110〜160um的大变形占总测点的41.7%，热时效也占41.7%，而振动时效件却为0。而小变形点（0〜50un），未时效件占58.3%，热时效占50%而振动时效件占83.3%。试验结果说明，热时效降低了工件抗静载变形的能力，而振动时效却提高了工件抗静载变形能力25%以上。2、抗动载能力的试验同静载试验一样，在没加动荷载之前测各点的翘曲量。再将应力框以悬臂夹持，并用振动台以50Hz频率进行振动处理20分钟。取下后测量各点的变形。结果如表 8所示。状态未时效件振动时效件热时效件变形量（um）频数（次）相对频数％频数（次）相对频数％频数（次）相对频数％10~30975.012100866.740~6018.300216.770~100216.700216.7从表8中可以看出，振动时效件的测点全落在小变形段上。大变形段上振动时效测点为 0,而热时效件与未时效件相等。不难得出结论：振动时效同样提高了工件抗动载变形的能力，而热时效却降低了工件抗动载变形的能力。30%左右,30%左右,处理而改变。现以表7和表8给出的结果来说明。一、振动时效处理对A272F—0139并条机车面残余应力的影响表9得实验中用多组试样做了经振动时效和热时效后残余应力变化的对比性试验，得出结论是振动时效与热时效相比在消除残余应力的功能上基本相近，而热时效更好一些。实测A272F—0139并条机车面的残余应力结果如表9。由表中可见，由于试样在炉内放置位置不相同，使结果相差较大。试样 6放在炉门处消除的比例最小。1处理而改变。现以表7和表8给出的结果来说明。一、振动时效处理对A272F—0139并条机车面残余应力的影响表9得实验中用多组试样做了经振动时效和热时效后残余应力变化的对比性试验，得出结论是振动时效与热时效相比在消除残余应力的功能上基本相近，而热时效更好一些。实测A272F—0139并条机车面的残余应力结果如表9。由表中可见，由于试样在炉内放置位置不相同，使结果相差较大。试样 6放在炉门处消除的比例最小。1--2061060100图7残余应力120测量贴片图1—8为主管贴片为支管贴片表10得实验给出了振动时效对焊接残余应力影响的测试结果。试样为工程上常用的T编号状态日撇前（X10MPa）时效后（X10MPa）消除比例（％Z1Z2Z1Z2Z1Z21振动时效7.546.806.005.0820.425.4213.3010.286.386.0059.544.1310.316.617.044.7431.828.54热时效10.387.786.576.1936.720.4510.387.785.071.6151.234.8610.387.789.078.0712.6增加3.5表9 残余应力值对比表型焊接管、振动处理对焊接管节点焊址处残余应力的影响节点，该试样系采用无缝钢管手工电弧焊制而成的。 试样制作按中国《海上平台入级与建造规范？的有关要求执行并经探伤检验。LTDtd12007.02195.0159表10 试件参数（mm试件材料为普通碳素钢，其化学成分与机械性能如下表所示元素成分含量（％机械性能CPSSiMnZsZb支管0.110.0300.0510.0070.022306.6442.3主管0.150.0270.0520.0180.009328.7445表11 材料化学成分与机械性能表 冶应力单位MPa参数a=L/DB==d/Dr=D/2Tn=t/T数值5.7490.72615.640.714表12试样几何参数抗动载能力提高1—3倍，抗温度变形能力也提高近 30%与经热时效的铸件相比，振动处理件的抗静载的能力提高40%以上，抗动载能力提高70%振动处理对构件残余应力的影响振动处理的关键在于调整残余应力，因此残余应力对材料机械性能的影响以及残余应力对构件变形的影响都将因振动试样的残余应力测试是在焊接成型后和经过振动时效后两种工况下进行的。振动处理是在支管端部施加激振，如图6中P所示。测点分布如图7。表13为T型管节点在振动处理前后的残余主应力测试结果。图 8为上述各测点沿焊址且垂直焊缝的应力分布图。从表中数据和图中曲线可见，振动处理对消除T型管节点的残余应力起着重要作用： 它可以降低焊接残余应力20%至80%对残余应力的分布起着明显的均化作用， 高残余应力区消除比例大，而低应力区消除比例小；残余应力消除的比例与振动处理时动应力的大小成正比。动应力大的点消除应力的比例大，而动应力小的点消除的比例小。20|Or(10JIPa) 振动处理前一0—振动处理后)/-*■/ \ 八十*q■X10-o— ， /表13芒m表131 1! '__1 *1 120° 1I 1宁 21 1 1如40°e【0。1000120**占八、、 a 部位振动处理前(MPa振动处理后(MPaZ1Z2Z1Z21号主管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振动处理对焊接构件疲劳寿命的影响关于振动处理对焊接构件疲劳寿命的影响问题国内外一直有着不同的看法。 由于振动处理荷载与构件承受的疲劳荷载相似，因此一种推论认为振动处理减短了构件的疲劳寿命。而另一种观点则认为由于在振动处理过程中残余应力的降低和均化从而延长了疲劳寿命。这两种观点均未经充分的试验验证。从前述得实验结果出发提出用振动处理可以提高焊接构件疲劳寿命的推论， 并用对焊板试验件的“振动处理”与“非处理”两工况下疲劳寿命的对比试验来加以验证。大量的试验结果证明了振动处理可以提高材料的力学性能，其中包括材料的断裂韧性得到提高，裂纹扩展速率降低、疲劳极限得到提高。这些都是提高结构件疲劳寿命的关键因素。因此振动处理可以提高焊接构件疲劳寿命的结论，已被下述试验给予验证。试验方法、试件：用尺寸为50X30X12mm勺钢板条，每两根在端部对焊成一体做为试件。三根做材性试验，四根经振动处理后做疲劳试验，五根直接进行疲劳试验而不做任何处理。试验方法在两吨高频疲劳试验机上做纯弯曲疲劳试验。1、试验结果九个勺试件疲劳寿命试验结果列在表15中，其中五件（编号1、2、3、89）未经任何处理，直接在疲劳机上进行试验。其应力幅为 25MPa—310MPa五个试件勺疲劳寿命平均值为4.5x10次。表6.14NNo表6.14NNo处理工况疲劳寿命（X10）未时效件平均寿命时效件平均寿命时效提高寿命百分比1未时效4.954.5X10-55.67X10-525.3%2未时效4.153未时效3.434时效4.785时效6.846时效6.897时效5.158未时效4.989未时效5.07试验结果数据表另外四件（编号4、5、6、7）在进行疲劳寿命试验之前，进行过振动时效处理：在同一疲劳机上，用25MPa