压轮结构件振动时效去应力工艺研究

压轮是大型结构件，制造过程是外圆钢板经过卷圆对接焊接，然后对外圆与封口板进行环焊。焊接后，直焊缝和环焊缝附近区域残余应力分布比较复杂；一般压轮工作环境恶劣，由于残余应力释放导致外圆和封口板位置易开裂。压轮结构件尺寸大，焊后热处理难度大，且消耗能量大，成本高，处理工艺不当，易造成弯曲、扭转等不可恢复变形。

本文主要研究压轮构件振动时效去应力工艺，并用盲孔法检测振动时效前后的残余应力值，评估振动时效效果。

试件情况及使用设备

压轮材料为Q345B钢板，孔径外径1400mm，轮宽2100mm，轮边距到内封板500mm。用焊接机进行卷圆直焊缝和封口板的焊接，以CO₂气体作为保护气，钢板坡口角度为60°，间隙为1mm左右。

采用聚航科技生产的JH-600A1液晶交流振动时效设备，激振器电机转速为1000-12000r/min，最大激振力为20KN。

振动时效去应力工艺

压轮的支撑；为了保证振动时效能高效地应用于压轮生产，定制了非标平台和夹具。考虑生产节奏和车间布局，振动平台尺寸为5000mm*2000mm*50mm，一次振动2个压轮。为了避免压轮在振动中破坏，设计V型托架进行弹性支撑。为了保证压轮与V型托架之间不产生相对振动撞击而产生噪音，也不使压轮滑动而导致加速度信号不稳定，V型托架应尽量放置在振动节点处。

激振器的安装；根据压轮自身重量较大和其放置的形式，振动平台做4点支撑，便于环焊缝垂直方向产生足够大的动应力。激振器放置在两轮中间的前方位置上，振动阻力小，容易得到较大振幅的共振。压轮在振动过程中，当动应力与自身残余应力叠加后达到材料的屈服极限时，压轮将发生微观或宏观塑性变形，从而降低或均化残余应力。

激振频率；振动时效设备能够自动选择主振频率和附振频率。通过观察振动前后峰值和振动频率，判断时效效果。

振动时间；由于板材不同批次存在不均匀性，因而振动时效时间有所不同。根据不同批次压轮重量，残余应力的大小及分布等，经验性的选取振动时效时间为30min。

振动时效去应力效果评定

支撑座设计和压轮放置方式

从支撑座的设计和压轮放置方式来分析降低残余应力，以保证振动时效效果。通过应力场分析结果，应力集中的位置主要位于封口板和卷圆板圆周焊缝位置附近、卷圆板直焊缝。采用4点支撑，支撑块的宽度尺寸稍大于环焊缝应力集中部位的宽度，其宽度尺寸为60mm。

从激振源激振效果考虑，压轮平放位置在对称布置的4点支撑工装上，保证卷圆边直焊缝在最低端。同时，4点支撑在振动平台上呈矩形布置，保证矩形的轴向对称面与交叉焊缝中面尽量重合，矩形布置的长边沿压轮轴线方向，距离1090mm；矩形布置的短边垂直压轮曲线方向，距离为935mm。

盲孔法测残余应力

振动时效前，选取应力集中的位置，采用盲孔法进行应力测量。选择同一批次振动前的1^#、2^#压轮；尽量选用同一压轮相近位置的残余应力结果进行比较，设计测量位置，振动时效前每个压轮选2个测点，振动时效后每个压轮选2个测点，同时振动时效前后的测量点间距为30mm，不影响到盲孔法的测量结果。

采用JH-30残余应力检测仪对1^#、2^#压轮振动时效前A、B、E、F4个测量点进行测量，获得振动时效前的残余应力。根据振动前后残余应力测量结果可见，1^#、2^#压轮振动后的最大残余应力均下降明显。由于并不能对振动时效前后同一点进行测量，但测量位置间隔30mm，振动时效效果仍比较可信。

结论

1. 焊后焊缝位置附近残余应力大，峰值为338.6MPa。起弧位置的应力小于收弧位置，封口板焊缝与卷圆板交叉位置的残余应力呈下降趋势。

2. 设计支撑采用4点支撑，支撑块宽度为60mm；4点支撑在振动平台上呈矩形布置，保证矩形的轴向对称面与交叉焊缝中面尽量重合。

3. 对比振动时效前后的残余应力来评估振动时效效果，结果显示振动时效后的压轮最大残余应力明显下降。