鋼銅熔敷焊接振動時效技術(shù)的研究與應(yīng)用

李勝鑫

(河南北方紅陽工業(yè)集團(tuán)有限公司，河南 南陽 474678)

鋼銅熔敷焊接振動時效技術(shù)的研究與應(yīng)用

李勝鑫

(河南北方紅陽工業(yè)集團(tuán)有限公司，河南 南陽 474678)

結(jié)合北方紅陽工業(yè)集團(tuán)有限公司的生產(chǎn)實際情況，從節(jié)能降耗和降低生產(chǎn)成本的前提出發(fā)。分析采用感應(yīng)加熱方式使預(yù)置在鋼基體上的銅環(huán)整體熔化并與鋼基體發(fā)生冶金結(jié)合，而鋼基體不熔化的銅鋼感應(yīng)熔敷焊接方法進(jìn)行加工的產(chǎn)品，因為加熱不均勻等因素產(chǎn)生殘余應(yīng)力從而造成后期工件加工薄壁后產(chǎn)生變形，影響了工件的尺寸穩(wěn)定性，無法滿足產(chǎn)品的設(shè)計要求。于是采用振動時效技術(shù)替代熱時效，經(jīng)過多次的實際應(yīng)用解決了工件內(nèi)部加工應(yīng)力的問題，使工件不再變形，提高了工件的尺寸穩(wěn)定性，滿足了產(chǎn)品加工和裝配要求，提高了生產(chǎn)效率，并達(dá)到節(jié)能減排的效果。

銅鋼；熔敷焊接；感應(yīng)加熱；振動時效

0 前言

河南北方紅陽工業(yè)集團(tuán)有限公司的產(chǎn)品采用銅鋼熔敷焊接的方式進(jìn)行加工。感應(yīng)熔敷焊接是利用感應(yīng)加熱方式使預(yù)置在鋼基體上的銅環(huán)整體熔化并與鋼基體發(fā)生冶金結(jié)合，而鋼基體不熔化的一種焊接方法。它既不同于熔化堆焊，也不同于釬焊；它既有熔化焊的結(jié)合性質(zhì)，又具有焊接溫度低的特點，實現(xiàn)了無熔深熔焊[1]。在實際生產(chǎn)過程中不可避免的會產(chǎn)生因加熱不均勻?qū)е鹿ぜ?nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，同時在加工鋼基體薄壁件時，會導(dǎo)致工件橢圓變形，影響工件的尺寸穩(wěn)定性，造成后期裝配不能實現(xiàn)。但因為產(chǎn)品加工工藝的安排，不能采用熱時效。于是采用振動時效技術(shù)進(jìn)行試驗，它能夠避免金屬零件在熱時效過程中產(chǎn)生翹曲變形和硬度降低等缺陷，比熱時效更能提高工件的尺寸穩(wěn)定性[2]。經(jīng)過多次的實際應(yīng)用驗證，不僅完全滿足了產(chǎn)品的設(shè)計要求，還能節(jié)約成本、節(jié)能減排。

1 振動時效機(jī)理與特點

從宏觀角度分析，振動時效可視為以循環(huán)載荷的形式對工件施加附加應(yīng)力。當(dāng)受到振動時，施加于零件上的交變動應(yīng)力與零件中的殘余應(yīng)力疊加，當(dāng)疊加達(dá)到一定程度后，在應(yīng)力集中嚴(yán)重的部位就會超過材料的屈服極限從而發(fā)生塑性變形，塑變降低了該處殘余應(yīng)力峰值，提高了構(gòu)件尺寸的穩(wěn)定性，并強(qiáng)化了金屬基體。

從微觀角度分析，振動時效過程實質(zhì)上是金屬材料內(nèi)部晶體位錯運動、增殖、塞積和纏結(jié)的過程。由于金屬材料存在位錯，在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生的交變動應(yīng)力與內(nèi)部的殘余應(yīng)力相互疊加，在應(yīng)力較高的區(qū)域，會產(chǎn)生位錯滑移，出現(xiàn)微小塑性變形。振動能的輸入提高了構(gòu)件內(nèi)部晶體的動能，當(dāng)外界對構(gòu)件施加的周期性循環(huán)應(yīng)力大于位錯移動所必需的能量時，材料內(nèi)部出現(xiàn)位錯移動，加快了畸變晶格向平衡位置的恢復(fù)速度，引起位錯密度和位錯點增加，使位錯塞積，造成位錯移動受阻，從而強(qiáng)化了基體，提高了構(gòu)件抗微小變形能力，使構(gòu)件的尺寸精度趨于穩(wěn)定[3]。

2 測試試樣制備

鋼基體的材料為35CrMnSiA，銅環(huán)的材料為T2 (退火態(tài))。鋼基體材料從進(jìn)廠金屬棒料經(jīng)沖壓成型退火后，經(jīng)過粗加工的毛坯材料，檢驗合格。同樣，銅環(huán)又經(jīng)過驗收合格銅材加工成型。利用工裝夾具將所要焊接的位置定好位，再放入絕緣套圈，在絕緣套圈中放入銅環(huán)，然后加入保護(hù)焊劑，最后將感應(yīng)線圈套在絕緣套圈的外面，利用感應(yīng)熔敷焊接生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行加熱焊接。焊接加工后的毛坯如圖1所示。然后對毛坯進(jìn)行半精車機(jī)加工至振動時效前試樣。試樣分5組，每組共10件如圖2所示。

3 振動時效參數(shù)選擇

振動時效設(shè)備采用成都海訊高智慧振動消除應(yīng)力專家系統(tǒng)，激振器型號為VA2508型永磁直流電機(jī)，額定輸出功率2 200 W，額定轉(zhuǎn)速8 000 r／min，激振力0～25 kN。

3.1 振點和支撐點選擇

當(dāng)對工件進(jìn)行振動時，其振動值最大處稱為波峰，最小處稱為波節(jié)。激振器夾持在波峰處，支撐點選在波節(jié)處，傳感器則應(yīng)放在另一波峰處[4]。波峰的查找可采用撒沙法。結(jié)合實際生產(chǎn)需要(見圖3)，激振器安裝在振動平臺振動的波峰處，這樣激振器能以最小能量激發(fā)試樣產(chǎn)生較大振動。平板尺寸長寬比為(2.5～3)：1；激振器放置沿平板寬度方向的中心線上；平板的支承位置盡可能選在振動的節(jié)線處，支承物采用專用橡膠墊等彈性物體；傳感器放置在平板另一波峰處有利于振動信號的拾取或直接放置在試樣上；試樣應(yīng)沿長度方向盡量靠邊安放，并夾緊固定。

圖1 感應(yīng)熔敷焊接原理和焊件Fig.1 Sketch of induction heat re-melt deposit welding and weldment

圖2 試樣Fig.2 Sample sketch

圖3 安裝Fig.3 Installation sketch

3.2 激振力確定

激振力的大小是通過工件承受動應(yīng)力值大小來衡量的，是振動時效工藝的一個決定性參數(shù)，直接影響振動時效的效果。構(gòu)件振動的動應(yīng)力來自于激振裝置的激振力。對于機(jī)械式激振裝置來說，激振力就是偏心輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力F

F＝mrω2sin(ωt)

式中 m為偏心輪質(zhì)量；r為偏心輪偏心距；ω為角速度[5]。但是，動應(yīng)力必須要小于材料的疲勞極限。根據(jù)JB／T5926-1998[6]，動應(yīng)力也可按如下經(jīng)驗公式確定σd＝(1／3～2／3)σ工作應(yīng)力，或用應(yīng)變測試技術(shù)獲得工件工作狀態(tài)下的最大應(yīng)力。經(jīng)過試驗，激振器偏心調(diào)至約50%，加速度控制為10～80 m／s2。一般情況下，工作電流控制在5 A以下，為2～4 A，若低于2 A，則增大激振器的偏心；若電流為4～5 A及以上，可調(diào)小激振器的偏心。

3.3 振動頻率選擇

激振頻率的選擇與試樣本身形狀、質(zhì)量、材質(zhì)和剛性等因素有關(guān)。振動時效設(shè)備可在一定的頻率范圍內(nèi)掃頻測出數(shù)個共振頻率，一般在亞共振區(qū)內(nèi)選擇主振峰峰值的1／3～2／3所對應(yīng)的頻率為主振頻率。不會對工件造成疲勞損傷，還會提高工件疲勞壽命[7]。在此利用振動消除應(yīng)力專家系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)模式自動選出5個峰值頻率，自動進(jìn)行時效處理。

3.4 振動時間確定

在振動時效過程中，隨著殘余應(yīng)力的降低和均化，試樣的固有頻率及由試樣振動而顯示出的振幅、動應(yīng)力等均隨之發(fā)生變化，振動時效時間可以由這些參數(shù)的變化情況來確定。在此將時間設(shè)定為10 min、8 min、8 min、8 min、6 min進(jìn)行時效處理。

4 振動時效過程和結(jié)果

振動時效參數(shù)選擇準(zhǔn)備完成后，利用振動消除應(yīng)力專家系統(tǒng)自動進(jìn)行時效處理，其中一組振動時效的加速度和時間曲線效果圖和數(shù)據(jù)如圖4和表1所示。振動時效后，將試樣在車床上精加工成壁厚2.5 mm、內(nèi)徑145±0.05 mm的管狀工件，該組試樣實測尺寸如表2所示。

圖4 曲線效果Fig.4 Curve sketch

表1 振動時效數(shù)據(jù)Tab.1 Data of VSR

表2 工件實際測量尺寸Tab.2 Measured data of part

5 試驗結(jié)果和分析

(1)從圖4c可知振動加速度趨向平衡；由圖4d可知，當(dāng)σ動應(yīng)力-σ殘余應(yīng)力→ma加速度＞0時，試樣內(nèi)部殘余應(yīng)力小，此時曲線向上至趨向平衡，反之，曲線向下。總之，從曲線判斷試樣內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)趨向平衡。

(2)從試樣內(nèi)徑實際測量數(shù)據(jù)分析可以看出，振動時效后試樣上下偏差均在設(shè)計尺寸范圍內(nèi)，完全滿足要求。也就是說，保證了尺寸穩(wěn)定性，后續(xù)無論怎樣加工，試樣都不會有變形，滿足尺寸設(shè)計要求。

6 結(jié)論

(1)對于銅鋼熔敷焊接后加工成薄壁工件，振動時效技術(shù)完全能夠滿足產(chǎn)品尺寸設(shè)計要求。

(2)振動時效技術(shù)具有提高工件抗變形和降低或均化工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的能力，有效地提高工件的尺寸穩(wěn)定性。

[1]徐越蘭，余 進(jìn)，王建平，等.銅鋼熔敷焊工藝方法分析研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報，2002，26(4)：401-403.

[2]王秀蘭.振動時效工藝的應(yīng)用[J].金屬熱處理，1990(5)：45-47.

[3]張德芬，尹成江.振動時效效果及機(jī)理的綜述[J].撫順石油學(xué)院學(xué)報，2000，20(1)：48-51.

[4]朱世根，劉 峰，顧偉生，等.振動時效的應(yīng)用[J].焊接技術(shù)，2002，31(6)：25-27.

[5]李慶本.振動時效的振動力學(xué)分析[J].焊接學(xué)報，2000，21 (1)：25-28.

[6]JB／T5926-1998，振動時效工藝參數(shù)選擇及技術(shù)要求[S].

[7]王 煒.振動時效的理論分析及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動化，2004(1)：41-43.

Research and application of VSR in copper and steel re-melt deposit welding

LI Sheng-xin
(He'nan North Hongyang Industries Group Co.，Ltd.，Nanyang 474678，China)

Combing with my company production practice，and costing the energy consumption and the production cost，this paper analyzes that processing products by re-melt deposit welding of using induction heating way that makes overall melted copper ring in steel substrate and steel happens metallurgical combination，and steel base don't be melt because of asymmetrical heating and other factors，and produce the residual stress.Affect dimension stability of work piece，and the processing cannot satisfy the design of the product requirements after machining the thin-walled work piece and cause the deformation.Using of VSR substitute for thermal aging，solves the problem of internal processing stress，and makes the work piece no deformation，improves the dimension stability，meets product requirements of processing and assembly，and improves the production efficiency，achieves the effect of energy saving and emission reduction by many practical applications.

copper and steel；re-melt deposit welding；induction heating；VSR

TG156.92

A

1001-2303(2012)04-00103-04

2011-11-16

李勝鑫(1976—)，男，河南南陽人，工程師，學(xué)士，主要從事熱加工工藝的研究工作。