礦用焊接結構連接罩的時效處理研究及應用

寧夏天地奔牛實業集團有限公司(石嘴山市 753001)

董曼淑

礦用焊接結構連接罩的時效處理研究及應用

寧夏天地奔牛實業集團有限公司(石嘴山市 753001)

董曼淑

對刮板機關鍵部件焊接結構連接罩的焊接殘余應力引起的焊接變形問題進行時效處理研究。采用現行焊接工藝對連接罩焊接后進行振動時效、熱時效處理；然后采用盲孔法對連接罩檢測振動時效、熱時效前后的應力分布情況并采用三坐標進行驗證，確定合理工藝并推廣應用。

焊接殘余應力 焊接變形 振動時效 熱時效

0 序 言

作為煤礦生產的主要運輸設備，刮板機的輸送能力決定了生產能力。中國的刮板機的總體設計和制造水平已接近國外同類機型，但是在關鍵部件壽命、可靠性等方面仍然存在一定差距。

1 問題分析

刮板輸送機在生產制造中采用了大量的焊接技術。焊接作為一種制造技術或生產手段，其目的是要獲得具有優異的連接質量和優秀的使用性能產品[1]。與鉚接、螺栓連接的結構、或者與鑄造鍛造的結構相比較，焊接結構有下列特點：①焊接接頭強度高；②焊接結構設計靈活性大；③焊接接頭密封性好；④焊前準備工作簡單。

焊接結構的性能和質量問題涉及到三個主要方面(圖1)，即溫度場、應力和變形場以及顯微組織狀態場[2]。

圖1 三個主要方面的分解和相互影響

由于高度集中的瞬時熱輸入，在焊接過程和焊后將產生相當大的殘余應力(焊接殘余應力)及變形(焊接變形、焊接收縮、焊接翹曲)。在焊接過程中，焊接區以遠高于周圍區域的速度被急劇加熱，并局部熔化。

焊接區材料受熱而膨脹，熱膨脹受到周圍較冷區域的約束，并造成熱應力，受熱區溫度升高后屈服極限下降，熱應力可部分地超過該屈服極限。焊接區形成了塑性的熱壓縮。冷卻后，比周圍區域相對縮短、變窄或減小。當零件進一步加工或在服役運行中，殘余應力也會發生變化。焊接殘余應力存在時，也會產生暫時的或永久的焊接變形。實際工作中希望在得到較高的形狀和尺寸精度的同時，具有較低的殘余應力。

連接罩的結構剛度大、焊縫復雜、應力集中問題明顯，焊接后的連接罩存在幾倍于材料屈服強度的殘余應力，如果不經過時效，極容易引起后續機加工或使用工況下變形甚至開裂。因此焊接殘余應力的調整是制造過程中必不可少的工序。實際生產中常采用振動時效的方法來處理，但焊接過程的復雜性和眾多的影響因素、非線性問題，瞬時作用以及溫度的相關性效應等等，使得要正確描述在各種情況下產生的焊接殘余應力，并對焊接殘余應力進行控制，從而準確把握產品質量變得非常困難。煤機的惡劣工作環境卻要求結構件具有良好的可靠性，因此針對煤機制造中關鍵焊接部件焊接結構連接罩的殘余應力的分布規律進行研究，以及對部件焊接結構連接罩的焊接殘余應力進行控制，對提高刮板機關鍵部件可靠性的研究具有重大的理論及實用意義。

2 確定試驗方案

試驗具體方案為：①采用現行焊接工藝對連接罩進行焊接后，進行振動時效、熱時效處理；②采用盲孔法對連接罩檢測振動時效、熱時效前后的應力分布情況；③采用三坐標對精加工后的連接罩進行變形驗證；④綜合分析確定合理工藝并推廣應用。

3 連接罩時效方法

3.1 振動時效

振動時效是利用偏心輪和變速馬達組成的激振器使焊接結構發生共振所產生的循環應力來降低殘余內應力的方法，振動時效系統的組成如圖2所示。處理時參照的標準為國家機械行業標準JB/T 5926—91《振動時效工藝參數選擇和技術要求》[3]。

3.2 熱時效

熱時效中有整體高溫回火和局部高溫回火兩種處理方式(圖3)。加熱時，由于材料在拉應力區受拉伸而發生屈服，壓應力區則相應被壓縮。由于高溫階段發生了蠕變，開始出現了應力松弛，而后僅伴有輕微的變形與應力重分布[4]。

圖2 振動時效系統的組成

圖3 熱時效加熱爐

4 連接罩時效工藝參數

采用現行焊接工藝對連接罩進行焊接后，進行振動時效、熱時效處理。

4.1 振動時效參數

三個橡膠皮墊支撐于兩端部法蘭面；激振電機安裝于連接罩方法蘭端面，檔位1～1.5，振前自動掃頻，頻率(max)設置為6 500 Hz，加速度感應器安裝于圓法蘭端面上，振動時間約30 min。

4.2 熱時效參數

將工件吊入臺車式電阻爐加熱達到450 ℃，保溫5 h后斷電，隨爐冷卻至200 ℃，出爐空冷。

5 應力試驗

5.1 盲孔法試驗設備

盲孔法試驗設備包括：砂輪機、手提鉆機、電阻應變計、應變片等。

5.2 試驗原理

盲孔法是小孔釋放法中的一種，因其簡單易行、測量精度高而在焊接殘余應力的測試中獲得了廣泛應用[5]。

盲孔法的原理是在應力場中鉆小孔，應力的平衡受到破壞，則小孔周圍的應力將重新調整；測量小孔附近的彈性應變增量，就可以用彈性力學原理推算出小孔處的殘余應力。鉆孔前將0°～45°～90°的應變片粘貼在待測點上。x方向為平行于焊縫方向，y方向為垂直于焊縫方向(圖4)。

圖4 盲孔法的原理

5.3 試驗過程

根據連接罩的結構確定待測焊縫位置作為數據采集點。在熱時效、振動時效前，分別在連接罩加強筋、蓋板與通體間的焊縫部位進行打磨、貼片、鉆孔和數據采集等(圖5)。

圖5 盲孔試驗

5.4 試驗數據分析

熱時效等效應力曲線(圖6)較平緩，各部分的殘余應力分布均勻，后續加工的尺寸穩定性較好。振動時效處理的連接罩等效殘余應力分布不均勻，后續加工后會使工件產生變形，影響工件的形狀和尺寸精度。熱時效過程中在拉應力顯著的區域產生了明顯的應力降低，整體殘余應力趨勢為下降；而振動時效過程中，拉應力峰值部位產生了較明顯的應力降低，而其它部位的應力則由于內應力的平衡效應而變化。

圖6 應力曲線

總體說明熱時效比振動時效去應力的效果要好，即熱時效殘余應力降幅大。去應力退火后的連接罩由于應變釋放和松弛，殘余應力大幅減小，各區域殘余應力值差異變小。

6 連接罩時效精加工后三坐標測量效果驗證

6.1 三坐標測量

連接罩精加工后利用公司三坐標測量了連接罩各面的形位公差，其中包括同軸度、圓度、兩端面平行度、垂直度等公差要求，確定應變影響程度(圖7)。

6.2 三坐標數據分析

三坐標測量結果表明，連接罩經過熱時效的工件加工尺寸穩定性較好，比振動時效工件其尺寸誤差小；說明焊接殘余應力影響加工尺寸精度方面熱時效工件比振動時效工件偏小。

圖7 三坐標測量

7 試驗結論及應用

通過以上綜合分析說明，連接罩采用熱時效替代振動時效的工藝過程是可行的；采用熱時效比振動時效的消除焊接應力效果明顯，并降低了對加工尺寸的影響因素。

近一年多在寧夏天地奔牛實業集團有限公司范圍內進行了連接罩采用熱時效工藝的推廣應用，有效的消除了焊接應力，減少了由于焊接應力引起的焊接變形帶來的加工尺寸誤差，保證了產品質量，提高了生產效率。

[1] 李榮雪.金屬材料焊接工藝[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2] 陳祝年.焊接工程師手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2009.

[3] 王一力.金屬焊接國家標準匯編[M]. 北京：中國標準出版社，1999.

[4] 王建安.金屬學與熱處理[M]. 北京：機械工業出版社，1980.

[5] 王洪光.焊接檢驗[M]. 北京：機械工業出版社，2011.

2016-06-21

TG432

董曼淑，1976年出生，大學本科，高級工程師。主要從事焊接技術工作，主要研究方向低合金鋼焊接。