矿用焊接结构连接罩的时效处理研究及应用

宁夏天地奔牛实业集团有限公司(石嘴山市 753001)

董曼淑

矿用焊接结构连接罩的时效处理研究及应用

宁夏天地奔牛实业集团有限公司(石嘴山市 753001)

董曼淑

对刮板机关键部件焊接结构连接罩的焊接残余应力引起的焊接变形问题进行时效处理研究。采用现行焊接工艺对连接罩焊接后进行振动时效、热时效处理；然后采用盲孔法对连接罩检测振动时效、热时效前后的应力分布情况并采用三坐标进行验证，确定合理工艺并推广应用。

焊接残余应力 焊接变形 振动时效 热时效

0 序 言

作为煤矿生产的主要运输设备，刮板机的输送能力决定了生产能力。中国的刮板机的总体设计和制造水平已接近国外同类机型，但是在关键部件寿命、可靠性等方面仍然存在一定差距。

1 问题分析

刮板输送机在生产制造中采用了大量的焊接技术。焊接作为一种制造技术或生产手段，其目的是要获得具有优异的连接质量和优秀的使用性能产品[1]。与铆接、螺栓连接的结构、或者与铸造锻造的结构相比较，焊接结构有下列特点：①焊接接头强度高；②焊接结构设计灵活性大；③焊接接头密封性好；④焊前准备工作简单。

焊接结构的性能和质量问题涉及到三个主要方面(图1)，即温度场、应力和变形场以及显微组织状态场[2]。

图1 三个主要方面的分解和相互影响

由于高度集中的瞬时热输入，在焊接过程和焊后将产生相当大的残余应力(焊接残余应力)及变形(焊接变形、焊接收缩、焊接翘曲)。在焊接过程中，焊接区以远高于周围区域的速度被急剧加热，并局部熔化。

焊接区材料受热而膨胀，热膨胀受到周围较冷区域的约束，并造成热应力，受热区温度升高后屈服极限下降，热应力可部分地超过该屈服极限。焊接区形成了塑性的热压缩。冷却后，比周围区域相对缩短、变窄或减小。当零件进一步加工或在服役运行中，残余应力也会发生变化。焊接残余应力存在时，也会产生暂时的或永久的焊接变形。实际工作中希望在得到较高的形状和尺寸精度的同时，具有较低的残余应力。

连接罩的结构刚度大、焊缝复杂、应力集中问题明显，焊接后的连接罩存在几倍于材料屈服强度的残余应力，如果不经过时效，极容易引起后续机加工或使用工况下变形甚至开裂。因此焊接残余应力的调整是制造过程中必不可少的工序。实际生产中常采用振动时效的方法来处理，但焊接过程的复杂性和众多的影响因素、非线性问题，瞬时作用以及温度的相关性效应等等，使得要正确描述在各种情况下产生的焊接残余应力，并对焊接残余应力进行控制，从而准确把握产品质量变得非常困难。煤机的恶劣工作环境却要求结构件具有良好的可靠性，因此针对煤机制造中关键焊接部件焊接结构连接罩的残余应力的分布规律进行研究，以及对部件焊接结构连接罩的焊接残余应力进行控制，对提高刮板机关键部件可靠性的研究具有重大的理论及实用意义。

2 确定试验方案

试验具体方案为：①采用现行焊接工艺对连接罩进行焊接后，进行振动时效、热时效处理；②采用盲孔法对连接罩检测振动时效、热时效前后的应力分布情况；③采用三坐标对精加工后的连接罩进行变形验证；④综合分析确定合理工艺并推广应用。

3 连接罩时效方法

3.1 振动时效

振动时效是利用偏心轮和变速马达组成的激振器使焊接结构发生共振所产生的循环应力来降低残余内应力的方法，振动时效系统的组成如图2所示。处理时参照的标准为国家机械行业标准JB/T 5926—91《振动时效工艺参数选择和技术要求》[3]。

3.2 热时效

热时效中有整体高温回火和局部高温回火两种处理方式(图3)。加热时，由于材料在拉应力区受拉伸而发生屈服，压应力区则相应被压缩。由于高温阶段发生了蠕变，开始出现了应力松弛，而后仅伴有轻微的变形与应力重分布[4]。

图2 振动时效系统的组成

图3 热时效加热炉

4 连接罩时效工艺参数

采用现行焊接工艺对连接罩进行焊接后，进行振动时效、热时效处理。

4.1 振动时效参数

三个橡胶皮垫支撑于两端部法兰面；激振电机安装于连接罩方法兰端面，档位1～1.5，振前自动扫频，频率(max)设置为6 500 Hz，加速度感应器安装于圆法兰端面上，振动时间约30 min。

4.2 热时效参数

将工件吊入台车式电阻炉加热达到450 ℃，保温5 h后断电，随炉冷却至200 ℃，出炉空冷。

5 应力试验

5.1 盲孔法试验设备

盲孔法试验设备包括：砂轮机、手提钻机、电阻应变计、应变片等。

5.2 试验原理

盲孔法是小孔释放法中的一种，因其简单易行、测量精度高而在焊接残余应力的测试中获得了广泛应用[5]。

盲孔法的原理是在应力场中钻小孔，应力的平衡受到破坏，则小孔周围的应力将重新调整；测量小孔附近的弹性应变增量，就可以用弹性力学原理推算出小孔处的残余应力。钻孔前将0°～45°～90°的应变片粘贴在待测点上。x方向为平行于焊缝方向，y方向为垂直于焊缝方向(图4)。

图4 盲孔法的原理

5.3 试验过程

根据连接罩的结构确定待测焊缝位置作为数据采集点。在热时效、振动时效前，分别在连接罩加强筋、盖板与通体间的焊缝部位进行打磨、贴片、钻孔和数据采集等(图5)。

图5 盲孔试验

5.4 试验数据分析

热时效等效应力曲线(图6)较平缓，各部分的残余应力分布均匀，后续加工的尺寸稳定性较好。振动时效处理的连接罩等效残余应力分布不均匀，后续加工后会使工件产生变形，影响工件的形状和尺寸精度。热时效过程中在拉应力显著的区域产生了明显的应力降低，整体残余应力趋势为下降；而振动时效过程中，拉应力峰值部位产生了较明显的应力降低，而其它部位的应力则由于内应力的平衡效应而变化。

图6 应力曲线

总体说明热时效比振动时效去应力的效果要好，即热时效残余应力降幅大。去应力退火后的连接罩由于应变释放和松弛，残余应力大幅减小，各区域残余应力值差异变小。

6 连接罩时效精加工后三坐标测量效果验证

6.1 三坐标测量

连接罩精加工后利用公司三坐标测量了连接罩各面的形位公差，其中包括同轴度、圆度、两端面平行度、垂直度等公差要求，确定应变影响程度(图7)。

6.2 三坐标数据分析

三坐标测量结果表明，连接罩经过热时效的工件加工尺寸稳定性较好，比振动时效工件其尺寸误差小；说明焊接残余应力影响加工尺寸精度方面热时效工件比振动时效工件偏小。

图7 三坐标测量

7 试验结论及应用

通过以上综合分析说明，连接罩采用热时效替代振动时效的工艺过程是可行的；采用热时效比振动时效的消除焊接应力效果明显，并降低了对加工尺寸的影响因素。

近一年多在宁夏天地奔牛实业集团有限公司范围内进行了连接罩采用热时效工艺的推广应用，有效的消除了焊接应力，减少了由于焊接应力引起的焊接变形带来的加工尺寸误差，保证了产品质量，提高了生产效率。

[1] 李荣雪.金属材料焊接工艺[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2] 陈祝年.焊接工程师手册[M]. 北京：机械工业出版社，2009.

[3] 王一力.金属焊接国家标准汇编[M]. 北京：中国标准出版社，1999.

[4] 王建安.金属学与热处理[M]. 北京：机械工业出版社，1980.

[5] 王洪光.焊接检验[M]. 北京：机械工业出版社，2011.

2016-06-21

TG432

董曼淑，1976年出生，大学本科，高级工程师。主要从事焊接技术工作，主要研究方向低合金钢焊接。