測 試 報 告
大工（2004）檢測（結構）字 第C 006號
項目名稱：鋁合金焊接件振動時效
消除焊接殘余應力
委托單位：寧波中兵科技有限公司
大連理工大學工程力學系
2004年8月25日
本報告共__頁（其中圖__幅，表__個），附件__頁
項目負責人：
項目參加人：
報告編寫人：
審 核 人：
報告提出單位：大連理工大學工程力學系
分室聯(lián)系地址：大連理工大學 工程力學 系 力學結構 室
郵 編：116023
電 話：84708398（分室）
鋁合金焊接件振動時效消除焊接殘余應力
一、前 言
目前，鋁合金焊接結構件的應用越來越廣泛，但是由于鋁合金焊接結構件在焊接過程中在焊縫及近焊縫區(qū)產(chǎn)生較大的殘余應力，而這部分殘余應力又不宜消除，這就限制了鋁合金焊接結構件的使用。殘余應力的存在對金屬構件的強度、疲勞壽命、結構變形等方面的影響都是很大的，諸如：拉伸殘余應力使材料的拉伸屈服極限降低 ，并使構件疲勞強度下降；拉伸殘余應力還使應力腐蝕加速；另外殘余應力還會降低構件尺寸穩(wěn)定性，因此，需要采用適當工藝使之消除。振動消除應力技術 （簡稱“VSR”)在近年來取得了長足的進展，在振動時效機理、振動時效工藝技術和應用研究方面，取得了突破性的成果，本項目受寧波中兵科技有限公司的委托，重點研究振動時效工藝對鋁合金焊接殘余應力消除效果。根據(jù)甲方提出的研究內(nèi)容，結合具體情況，本室提出了以下系列試驗，來測試鋁合金焊接件焊縫處的焊接殘余應力，并探討采用振動時效技術降低和均化鋁合金焊接件焊縫處焊接殘余應力工藝的效果和可行性。
二、振動時效技術的作用及原理
1、振動時效的技術作用
振動消除應力技術（又稱振動時效技術），在我國已應用20個年頭，全國已有1500多家企業(yè)在應用，應用的范圍相當廣泛，有機床、重型機械、冶金設備、造船、航天、鐵路、化工機械、汽車制造、核工業(yè)等機械構件都可以采用振動時效來消除應力，代替原熱時效工藝。其技術作用為：
①降低鑄件內(nèi)應力20％以上，降低焊接構件內(nèi)應力30％以上（這是國家機械行業(yè)標準JB/T10375-2002中規(guī)定的最低值）。
②防止或減少鑄件、焊接構件等的變形，以保持精度。
③減少或延緩構件在使用中產(chǎn)生裂紋。
④提高焊接構件疲勞壽命40％以上。
2、關于振動時效消除應力的原理
近二十多年來，國內(nèi)外出現(xiàn)了“振動處理技術”用來調整金屬構件內(nèi)的殘余應力，以代替熱處理技術，它屬于機械作用法。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金屬構件內(nèi)的殘余應力，因此可以提高構件的使用強度，減少變形，可以防止或減少由于熱處理和焊接產(chǎn)生的微觀裂紋。特別是在節(jié)省能源、處理時間上具有明顯效果，因此被許多國家大量使用。
振動消除應力實際上就是用周期的動應力疊加，使局部產(chǎn)生塑性變形而釋放應力。振動處理時，通過激振器對被處理金屬構件施加一交變應力，如果交變應力幅與被處理的金屬構件上某些點所存在的殘余應力之和達到材料的屈服極限時，這些點將產(chǎn)生晶格滑移，盡管宏觀上沒有達到屈服極限，也同樣會產(chǎn)生微觀的塑性變形，而且這種塑性變形往往是首先發(fā)生在殘余應力最大的點上，使這些點受約束的變形得以釋放從而降低了殘余應力。這就是振動時效消除殘余應力的機理。即
σ動＋σ殘>σs
式中：σ動——施加在被處理件上的周期動應力。
σ殘——被處理件中的殘余應力。
σs ——被處理件材料的屈服極限。
根據(jù)上述機理和大量實踐，表明振動時效的一個突出特點是：高應力降低的比例大，特別是應力集中處，殘余應力降低快。
由于振動時效的上述作用，使該項技術得到廠礦企業(yè)和國家的重視和認可，1991年制定了國家行業(yè)標準JB/T5928.91（現(xiàn)實行JB/T10375-2002），并在1993年被國家科委批準為“國家級科技成果重點推廣計劃”項目，在全國普遍推廣，實踐證明振動時效在冶金構件上的應用，優(yōu)于原先采用的噴油熱時效。
三、試驗研究內(nèi)容
l 實驗材料和方法
試驗設備
振動時效試驗設備為智能振動時效IFVSR -2000型振動時效裝置。
試驗方法
7A52鋁合金焊接結構件振動時效工藝研究采用箱形結構件。
l 鋁合金焊接件的焊接殘余應力的測試
1、鋁合金焊接件焊接測點選擇：根據(jù)鋁合金焊接件結構形式，在焊縫處選擇測點，每件焊縫不少于5個部位。
2、測試方法：采用盲孔法，對鋁合金焊接件焊縫進行振動時效前后殘余應力測試。
3、測試工況：
未處理前 2件；
振動時效工藝處理后 2件；
振動時效工藝處理前、后 2件；
共6件。
l 鋁合金焊接件振動時效工藝可行性研究
根據(jù)以上鋁合金焊接件的焊接殘余應力大小和分布狀態(tài)的測試結果，對鋁合金焊接件進行振動時效處理，考察振動時效處理降低和均化鋁合金焊接件焊接殘余應力的程度。具體內(nèi)容包括：
1、對鋁合金焊接件焊接進行合理的振動時效處理，
鋁合金焊接件處理： 4件；
2、對鋁合金焊接件焊接做振動時效前、后的殘余應力測試，以觀察處理效果，驗收標準按JB/T10375-2002標準，焊接件殘余應力消除水平平均達到30％。
試件可以采用上述4件試件；
四、鋁合金焊接件振動時效處理
1、振動時效工藝參數(shù)的選擇
經(jīng)多次反復試振，確定工藝參數(shù)如下：
圖1：處理現(xiàn)場布置圖
1．支承方式：鋁合金焊接件懸臂固定在工作臺上。
2．激振點：由于結構的限制，激振器安裝在工作臺上，用卡具卡住。
3．拾振位置：拾振器安裝在鋁合金焊接件懸臂端。
4．激振器偏心：
智能振動時效IFVSR -2000型設備，偏心為“2檔”。
5．激振頻率：通過掃頻由設備自動選擇共振峰，處理時可由加速度輻值來控制。
6．處理時間： 30分鐘左右。
2、振動處理監(jiān)測曲線與分析
4件鋁合金焊接件焊接件在振動處理時給出了4件的監(jiān)測曲線（見附圖）。
根據(jù)JB/T10375-2002機械行業(yè)標準的規(guī)定，監(jiān)測曲線中出現(xiàn)下述三種情況之一，即認為振動處理達到了效果：
其一，時間振幅曲線[G（T）]，隨著時間在發(fā)生變化，即上升型、下降型均可（可由曲線指示或數(shù)字顯示讀數(shù)均可）。
其二，幅頻特性曲線的對比，振后曲線峰值升高。
其三，幅頻特性曲線的對比，振后曲線峰線左移即頻率下降（可由曲線觀察或上面數(shù)字顯示看出）。
根據(jù)上述有關規(guī)定，觀察我們對4件鋁合金焊接件焊接件處理時獲得的4張曲線圖，可以看出：
第一件鋁合金焊接件Ⅰ焊接件處理曲線圖上時間－振幅曲線[G（T）]，呈上升型，峰點的頻率下降了125轉/分，峰值升高0.6g。
第二件鋁合金焊接件Ⅱ焊接件處理曲線圖上時間－振幅曲線[G（T）]，呈上升型，峰點的頻率下降了261轉/分，峰值升高0.7g。
第三件鋁合金焊接件Ⅲ焊接件處理曲線圖上時間－振幅曲線[G（T）]，呈上升型，峰點的頻率下降376轉/分，峰值升高1.0g。
第四件鋁合金焊接件Ⅳ焊接件處理曲線圖上時間振－幅曲線[G（T）]，呈的上升型、峰點頻率上升252轉/分，峰值升高1.1g。
五、焊縫焊接殘余應力測試
為了檢測振動時效在消除應力方面的效果，在未處理（2件）和振動處理前（2件）以及在振動處理后（4件）試件上，分別在鋁合金焊接件縱向焊縫上選擇了5點進行殘余應力的檢測。測點布置見圖2。殘余應力測試結果見表1～表4。
 |
 |
 |
圖2：鋁合金焊接件焊縫上的測點分布
表1: 鋁合金焊接件在未處理和振動處理前縱向焊縫殘余應力測試數(shù)據(jù)表
單位：MPa
|
點號
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
|
|
未處理1
|
σ1
|
80.90
|
100.34
|
82.45
|
108.79
|
51.90
|
|
σ2
|
-44.57
|
-39.38
|
-32.32
|
-12.79
|
-25.99
|
|
|
未處理2
|
||||||
其它鋁合金振動深度閱讀
高速鋁合金客車的彈性振動分析 姓名：石芳 申請學位級別：碩士 專業(yè)：車輛工程 指導教師：佟維 20081223 摘要 摘 要 鐵路運輸是我國最主要的交通運輸命脈，而高速客運則是其中最迅速、安全、舒適 的運輸方式。在經(jīng)歷了六次大提速以后，我國新研制的高速客車最高運行速度將達至Ｕ３５０ ｋｍ／ｈ，這給車體運行的動態(tài)特性提出了越來越高的要求，此時動力學計算和分析就顯 得十分必要。 以往大量的車輛動力學研究中都將車體考慮成剛體，而事實上車體本身的彈性振動 對車輛運行品質是有直接影響的。在建立高速列車動力學分析模型時，考慮車體的彈性 變形是進行車輛動力學和結構動力學研究的必然趨勢。隨著車輛定距的增大，運行速度 的提高以及由線路因素和車體因素引起的激擾頻域的加寬，導致車輛振動加速度增大， 彈性振動的幅度加劇，從而影響到車體的運行性能。由此可見車體的彈性振動不容忽視。 目前，在彈性振動領域的研究很少給出規(guī)范的方法，固本文針對高速車的彈性振動進行 了探討和分析。 論文利用有限元分析軟件Ｉ－ＤＥＡＳ建立了高速鋁合金客車的整車有限元仿真模型， 建立的整車模型把車體和轉向架構架視為彈性體，滿足現(xiàn)代車輛結構的設計要求。本文 對有限元模型進行了模態(tài)分析和動力響應分析，解析了車輛的彈性振動特性。通過模態(tài) 計算及分析，得出了車體在底架和車頂部位的剛度比較低的結論。通過分析車輛在白頻 譜激勵下的功率譜密度響應，得出車體與構架之間在橫向和垂向上存在不同程度的耦合 振動，垂向振動最大能量分布在５Ｈｚ左右，橫向振動最大能量分布在１１Ｈｚ左右。本文 將軌道不平順激勵和踏面擦傷激勵近似考慮為簡諧激勵，分析了車體在這兩種激勵下的 振動加速度響應，討論了車體側墻、底架及車頂?shù)恼駝右?guī)律并比較分析了這兩種激勵對 車體平穩(wěn)性的影響。本文得出的一些基本的振動規(guī)律，為車體結構的設計、改進提供了 一些參考依據(jù)。 關鍵詞：高速客車；模態(tài)；彈性振動；響應分析
