振动时效效果的判定方法.doc

第六章 振动时效效果的判定方法检验振动时效的效果实际上就是检验工件中残余应力是否得以消除和均化，目前对残余应力的测试方法很多，但总的分为两大类。一类是定量测试：如盲孔法、X射线法、磁测法、喷砂打孔法、切割法、套环法等。一类是定性测试：如振动参数曲线法、尺寸精度稳定性法等。本章着重一讲振动曲线法，其它方法都有专门介绍，在此就不再详谈。第一节 常用的几种残余应力测试法 1.切割法、套环法：这两种方法的基本原理是一样的，就是在被测点附近，先贴上应变片，然后再用手锯或铣床，在这一点附近切割出方格线，使之与邻近部分分开以释放残余应力，并用应变片测出应变量，再计算出该点处的残余应力值大小。2.盲孔法：切割法和套环法具有较大的破坏性，因此目前应用较为广泛的残余应力测试方法是钻盲孔法。钻孔法测量残余应力就是在被测点上钻一小孔，使被测点的应力得到部分或全部释放，并由事先贴在小孔周围的应变计测得释放的应变量，再根据弹性力学原理计算出残余应力。钻孔的直径和深度都不大，不会影响被测构件的正常使用。并且这种方法具有较好的精度，因此它已成为应用比较广泛的残余应力测试方法之一。3.X射线法：X射线法测应力的基本原理是，利用X射线穿透晶粒时产生的衍射现象。在弹性应变作用下，引起晶格间距变化，使衍射条纹产生位移，根据位移的变化即可计算出应力来。X射线法测应力的特点如下：它是一种无损测试方法。它测量的仅仅是弹性应变而不包括塑应变（因为工件塑性变形时其晶面间距并不改变，不会引起衍射线的位移）。被测面直径可以小到12mm。因此可以用于研究一点应力和梯度变化较大的应力分布。由于穿透能力的限制，一般只能测深度在10um左右的应力，所以只是表面应力。对于能给出清晰衍射峰的材料，例如退火后细晶粒材料，本方法可达10Mpa的精度，但对于淬火硬化或冷加工材料，其测量误差将增大许多倍。4.磁测法：磁测法测量残余应力是近年来发展起来的一种新方法，它具有较大的发展前途，设备简单、使用方便，它不仅可以测残余应力也可以测载荷作用下的应力。在磁场面的作用下，应力产生磁各异性，磁导率作为张量相似，通过传感器和一定电路，将磁导率的变化转为电信号，输出电流（或电压）反映应力值的变化。该方法测量误差与工件表面情况有关。第二节 振动参数曲线法 一项振动时效工艺是否成功，其最后的检测方法应是残余应力的变化率和尺寸精度保持性的测试。但是振动处理过程中采用上述两种参数是不可能的，它是需要长时间和复杂的测试过程。通常在实际生产应用的控制过程中往往采用振动时效前后幅频特性参数曲线和振幅-时间参数曲线测试法并按JB/T5926-91标准中第4.1条款或JB/T10375-2002标准中的第6.2条款验收来实现的。（a） 幅频特性曲线扫描法图6-1幅频特性曲线二次扫描图（图中实线为振前所测曲线、虚线为振后所测曲线）在振动处理过程中随着残余应力的下降，构件的内阻尼减小，所以在幅频特性曲线上所表现出的是固有频率的下降，（如图6-1中所示f1变为f1）、共振峰值的增高、频带变窄。振动处理前测得的幅-频特性曲线和振后幅频特性曲线对比可求出各参数的变化量f,h和u。经过多个试件处理后可把这些变化量的统计值确定下来。这样就可在生产应用时进行监测。如果生产中所得的参数变化与确定的数值相近，说明振动处理的效果已达到。如果远远偏小，说明效果欠佳，尚需在激振参数（主要是激振力）上做适当调整，或支承方式上需做调整。总之，幅-频特性曲线监测法是国内外普遍采用的较为成熟的方法。（b）振幅-时间曲线监测法幅-频特性曲线是振动处理的前后进行的，且频率在不断的改变。有时为了获得更好的曲线。这要比前一种方法更为简单，它既可以通过振幅的变化来控制振动处理的有效时间，又可以通过振幅的变化量来监测残余应力的变化情况。第三节 尺寸精度稳定性法尺寸精度稳定性是根据定期对构件尺寸精度的测量来实现的。它包括两方面内容：一方面是观测构件尺寸精度随时间而发生的变化量，与热时效或精度允差相比较；另一方面是要观察构件在静、动荷载作用后的尺寸精度变化量，同样与传统工艺（热时效）相比，以鉴定振动时效工艺的可行性。如果残余应力消除和均化的效果好，那么工件中残余应力的再分布的可能性和程度就比较小，工件的尺寸精度稳定性就好。实践证明在保持工件尺寸精度稳定性方面振动时效技术比其它传统的时效方法更显优势。第七章 振动焊接技术焊接构件的振动时效技术是对已焊接成型的构件进行振动处理，用以降低和均化由於焊接造成的残余应力。而振动焊接是首先将被焊部件进行振动，且边振动边焊接，直到焊完为止。这种振动是在一定频率范围内的轻微振动，其作用如下：首先，当焊缝金属在熔溶状态时，振动可以使组织发生变化，晶粒得以细化。焊缝晶粒细化必将使材料力学性能得到提高；其次在有温度作用下，焊缝处材料屈服极限很低，因此振动很容易使热应力场得到缓解，极易发生热塑性变形，而释放受约束应变，使应力场梯度减少，故使最后的焊接残余应力得到降低或均化；第三由于振动，在结晶过程中使气泡杂质等容易上浮，氢气易排除，焊缝材料与母材过渡连接均匀、平缓，降低应力集中，提高焊接质量。因此振动焊接可以有效地防止焊接裂纹和变形，提高构件的疲劳寿命，增强机械性能。振动焊接技术是在振动时效技术基础上发展起来的。但振动焊接技术的作用明显优於振动时效技术。振动时效技术是在构件焊好后使用的处理技术，只能对焊接残余应力起到降低和均化作用，而振动焊接技术从焊接开始就起到细化晶粒的作用，接着在热状态下通过热塑性变形来调整应变而降低残余应力。因此，可以说振动焊接从一开始就起到了防止焊接裂纹和减少变形的作用。提高焊接质量是优於振动时效技术的最突出优点。做为振动焊接，它并不要求构件必须达到共振状态，只要达到某一频率范围内且具有一定的振幅就可以，因此振动焊接技术可以在任何构件上应用。特别是在大型结构件焊接修复时，振动焊接就完全可以实现，焊后不再使用热时效处理。在这里必须说明的是“振动焊接技术”包括两个方面，即“焊接技术”与“焊接振动技术”两个内容。这里说的“焊接技术”就是正常的焊接技术，而“焊接振动技术”就是在焊接过程中根据不同构件施加一种不同参数的机械振动。这一章就是研究关於“振动焊接”的作用和“振动焊接”的工艺参数选择原理。71 振动焊接对焊接残余应力分布的影响振动时效是在构件焊接完成后在常温下进行的。因此要使动应力和残余应力之和大于材料常温下的屈服极限（S）则必须具有较大激振力。振动焊接是在焊接的整个过程中，包括降温过程在内，给被焊构件一个较轻微的振动，使焊缝在热状态下调整应变而改变热应力场，从而达到降低和均化应力。72 振动焊接对焊缝疲劳性能的影响焊接结构的破坏大多数是疲劳破坏，而且疲劳破坏大多数发生在焊缝附近，这是近一百年来人们所公认的。因为它是焊接结构普遍存在的问题。因此在研究振动焊接技术的时候必须研究振动焊接对疲劳性能的影响。在振动时效机理的研究中，已经实验证明：由於降低和均化了应力，使焊缝的疲劳性能增强，构件的疲劳寿命得到提高。振动焊接可以大幅度提高焊接结构件的疲劳寿命，提高率在70%以上，振动焊接确实是提高焊件疲劳寿命的有效方法。平台振动焊接（即不共振的振动焊接）提高疲劳寿命的效果优於共振的振动焊接。73 振动焊接工艺规程应该看到的是振动焊接和振动时效是为提高焊缝质量而在两个阶段分别采取的技术工艺过程。振动焊接是在焊接过程中进行的振动处理过程，而振动时效是在构件焊接成型后而进行的时效处理过程，前者的作用在於使晶粒细化提高材料的机械性能。降低焊接应力和变形、减少气孔和杂质并使焊接纹理细密提高宏观焊接质量。而后者则是专门用於降低和均化焊接应力，消除残余应力对变形、开裂和疲劳寿命的影响。相比较而言，尽管在消除应力方面、振动焊接起到一定的作用，但其毕竟振动很小，产生的动应力不大，因此消除主应力的效果是赶不上振动时效的效果更好。从这一点出发，对於大型构件建议工艺规程应是振动焊接与振动时效同时采用：即第一阶段在焊接过程中采用振动焊接、第二阶段采用振动时效处理这将是最佳工艺规程。一、振动焊接工艺参数1激振频率20Hz100Hz；2激振振幅10m50m；3振动方式共振与非共振均可；4构件直接振动或振动台带动构件振动均可；5振幅的选择应尽量接近材料晶粒的直径，即不同材料选用不同的振幅；6在20Hz100Hz范围内如有共振峰，可选择共振峰高1/32/3所对应频率来处理，但要保证振幅在规定范围内，共振易於调整振幅值；74 振动焊接技术的适用性振动焊接技术的特点决定了该项技术的适用性。各种实验验证了该项技术有如下的特点：1焊接结晶过程中振动可使晶粒细化，因此使焊缝材料力学性能显著提高，材料的屈服极限S、强度极限b均可提高10%30%，这有助於防止焊接热裂纹和冷裂纹的发生。2降低焊接残余应力30%以上，这有助於于防止或减少焊接构件使用中发生裂纹，延长使用寿命，稳定构件的尺寸精度。3降低焊接变形30%以上，如果采用“予刚度法”和“予应力法”则变形可降低60%以上，达到设计要求。4由於晶粒细化和残余应力的降低，提高了焊缝断裂韧性20%以上，极大的提高了焊缝材料抗开裂的能力。5提高疲劳极限15%以上，提高焊缝疲劳寿命70%以上。这是各种效果的综合值，提高使用寿命这也是各种附加工艺所追求的最终目标。6减少砂眼、跳焊等，使焊接纹理细密，减少根部的应力集中，显著提高焊接质量。7可免除焊接予热过程或降低予热温度。8可排除焊后的热时效或振动时效处理。9显著的防止或减少焊接裂纹，这是振动焊接一项最突出的特点。根据上述优点，我们不难看出振动焊接技术比起振动时效来说具有更广阔的前途和更大的适用性。可以说振动焊接技术在所有的焊接过程中均可应用，特别是对於焊接中易出现裂纹