振动时效在焊接件中不同振动方式消除应力的对比

更新时间：2020/10/17  点击数：1866

焊接是一个非常不均匀的加热母材的过程，巨大的温差引起内部残余应力。利用振动时效减小残余应力是使材料产生屈服，减小残余结构应力的峰值，有利于使残余应力得到降低和均化。
研究对象是某军工企业十分重要的环形金属抱箍特种焊接件，以下简称抱箍焊接件。通过理论建模分析和试验验证对该结构件进行了综合研究分析。具体地，利用ANSYS有限元软件对该结构件进行了模态参数识别和谐响应分析，并对该结构件进行激振试验以及试验前后的残余应力数据对比分析。谐响应分析模拟了金属箍构件进行的振动作用时效，分析了在不同位置激振对环形抱箍特种焊接件振动时效的影响。通过理论分析和试验验证获得的数据以及对不同激振方式振动时效的对比分析得出了焊接残余应力消减率有显著差异的分析结果，这种分析提高企业对金属箍构件的振动时效工艺水平。

有限元谐响应分析技术可以得到该环形焊接 件在固有频率激振时的动态响应，得到在不同位置 激振的响应特性。谐响应分析只适用于稳定状态 下的受迫振动运算分析，振动时效过程属于焊接件稳态受迫振动，符合谐响应分析要求。

抱箍焊接件具有高度对称性，对筋板焊接集中 区上侧板、筋板焊接集中区的外侧板、非筋板焊接 集中区的上侧板和非筋板焊接集中区的外侧板施 加相同的载荷，对比观察焊接件有限元模型的各部 位振动响应。

将焊接件三维模型导入 ANSYS 中，添加 Q235 材料的相关性能参数。

通过对比四个不同位置激振的振型云图，当在 非焊接集中区进行激振时，在激振点附近残余应力 集中区的振动特性好，明显地减小和消减了该部位 的残余应力 ；而距离远的焊接集中区振动特性不好，残余应力消减较少，所以选择图①b 和图①c 中 的激振位置为激振点，由于图①c 便于安装激振器， 所以选择图①c 所示位置。

a）激振点为非焊接 b）激振点为焊接 集中区上侧板 集中区上侧板

c）激振点为焊接 d）激振点为非焊接 集中区外侧板 集中区外侧板图 1 位移响应云图

振动时效消除残余应力试验研究4.1 试验方法为了取得更好的试验结果，对正常生产系统中 的 某 一 批 次 抱 箍 焊 接 件 进 行 试 验 。 该 特 种 焊 接 件 的板材材料为 Q235，板厚多为 5mm，焊接工艺和路径 采用企业相应的工艺标准要求，焊接速度为 6mm/s。

利用 XC05Y振动时效系统控制器，综合分析影响因素和限制因素，根据以上的计算和分析可得振动时效时的转速为 7800 r/min。以该转速进行稳定 的 平 台 整 体 激 振 操 作 ，即 A 组 操 作 ，以 及 局 部 装 夹 激振器激振操作，即 B 组操作，时效时间均设定为十 五分钟。利用盲孔法分别进行测量 A 组和 B 组时效处理前后残余结构应力。测量是根据盲孔法测量的要求，应用专用应变片和钻孔设备进行的。测量完成后通过相关理论与计算公式计算得出焊接残余应力值的大小。4.2 试验数据和结果分析正如前所述，A 组是利用振动平台进行振动时 效时的焊接残余应力消减情况，B 组是将激振器装在 焊 接 肋 集 中 区 的 外 板 位 置 进 行 时 效 处 理 时 的 残 余应力消减状况。用于实验的试件数量为 12 个，分 为两组。它们是同一批次产品，具有完全相同的设 计 和 结 构 ，将 其 编 号 为 A 组 和 B 组 的 1、2、3、4、5 和6。

通过观察A、B组的数据可以减小个体因素对实验结果的影响。在对环形金属焊接件进行振动时效时，保证每个环形金属焊接件的激振器装夹位置相同及其他影响因素均相同，两组的实验时间均为15分钟。根据以上表格所得数据可知当对筋板焊接集 中区外侧板进行激振时，残余应力消减率为 60% 左 右，而激振平台的残余应力消减率仅为 40%。

结 论

（1）利用ANSYS有限元软件对环形金属抱箍特种焊接件进行了消除残余应力分析。首先对其进行了模态分析，确定了前六阶模态振型和模态参数。接着对其进行了谐响应分析，得出在筋板焊接集中区外侧板位置进行激振时能使抱箍焊接件的有限元模型达到较好振动响应。

（2）采用比较分析方法，分别采用平台整体激振法和激振器装夹在指定最优位置法进行振动时效试验分析，通过试验可知，当对筋板焊接集中区外侧板进行激振时 ，残余应力消减率增加将近20%，取得的效果明显。

（3）系统提出了一种金属抱箍类焊接件的振动时效可以消除焊接残余应力工艺研究步骤，即通过有限元分析确定激振优化点，并用合适的激振参数 在该点进行激振器激振获得更大消减率。