舰首部总段振动时效消除残余应力

某舰首部总段/首门的建造中，首门的装焊、首部总段外板的装焊、首部总段结构的装焊以及船台总装等工序会产生较大残余应力，而残余应力对首部总段/首门建造的影响非常大。所以在首部总段/首门建造中，必须在首门接触与船体的焊接约束前降低首部总段/首门内的残余应力水平。根据以往经验，采取振动时效工艺。并对振前前后的残余应力进行检测，验证其有效性。

残余应力对首部总段/首门建造的影响

1. 在首门三条周边缝切割结束后，由于残余应力的释放，首门会发生扭曲变形，变形会随应力时效而加剧，导致首门边缘与船体过渡不光顺，失去首部总段/首门整体建造的意义。

2. 由于工艺要求，在首门销轴定位前，首门周边缝不能切割完。在首门销轴定位和首门周边缝完全切割后，首门的变形将导致销轴的不同心度增加，可能会影响首门的启闭。

3. 首部总段/首门建造后的自然时效会引起首门的变形，同样可能导致销轴的不同心度增加，仍然影响首门的使用。

振动时效工艺

本次设备使用聚航科技生产的JH-578A数码交流振动时效设备，采用高速变频伺服电机，激振力大，寿命长，时效效果稳定可靠。由激振器、控制主机、加速度传感器、夹具等组成。

激振器应具有一定的频率范围，频率连续可调，在振动过程中具有足够的稳频精度。一般来说，构件的固有频率可通过扫频的方法确定，可使构件在其固有频率附近产生共振；激振位置应产生足够大的激振力，以满足使被振构件产生足够动应力的要求。其中激振器由偏心机构和电动机组成，频率达160HZ，最大激振力为F=（2πf）²mr。

残余应力应力测试

为了研究和分析振动时效的有效性，所以要在振动前后对首部总段/首门进行残余应力测试。本次测试采用磁测法检测残余应力，这是一种无损残余应力测试方法。

首部总段/首门应力测试点选在焊缝密集区域，位于首部总段下颌的平台上，沿首门下缘分布，这些点靠近激振点，可以更准确地反映振动时效时构件内部残余应力的变化。

振动时效工艺流程

从理论上讲，振动与切割首门边缘缝两工序交替次数越多越好，但由于工期和成本的限制，最终确定上述工序交替两次。

第一次振动和前后应力测试

第一次切割：每舷两段，每段长约1m；两舷共计切割约4m缝。

第二次振动及前后应力测试。

第二次切割：每舷两段，每段长约1m；两舷共计切割约4m缝；转销轴安装工序。

振动时选用加速度时间曲线对时效过程监视。

振动时效工艺过程为振动前残余应力测量——安装机械式振动时效装置——试振以测定固有频率和确定激振力——振动时效——振动后残余应力测量。

先降低激振力，开机，手动扫频（1000-8000r/min），记录振动的频率响应曲线，找到最大振幅对应的各阶固有频率。选择共振峰大、频率低的共振频率作为主振频率。将转速调到亚共振点（主振频率的2/3所对应频率），观察加速度时间曲线，时效为几分钟，查看加速度有无升高后变平或先升高又下降再变平的情况。若有，证明激振力适合，若无，则逐渐调大激振力，直至激振力合适。

残余应力测试结果

第一次振动前后各测点的应力数据及应力消除的百分比、第二次振动后测点1^#-5^#、11^#-15^#的应力数据及最终应力消除的百分比见表1。

振动时效应根据试振确定的振动频率和激振力进行，观察加速度时间曲线。起振后加速度升高后变平或先升高又下降再变平，从变平开始稳定3-5min为振动截止时间。

振动后应力测量方法是第一次振动时，一舷的激振点为1-6，两舷共计12点；每个激振点处振动平均时间为14min；第二次振动时，一舷的激振点为1-2、5-7，两舷共计10点；每个激振点处振动平均时间为13min。

实施振动时效时为试件的正身状态，待销轴和其他附件安装完毕，完整切割首门周边缝。为保证边锋切割质量，应采用全位置切割机施工。

结论

首部总段/首门结构共振频率较高，转速在3200-4200r/min之间。第一次振动后，残余应力有松弛，共振转速降低2000-2150r/min之间，第一次振动应力消除率在30%左右；首门边缘切割后，整体应力得到释放，第二次振动后，其残余应力进一步降低和均化，最终应力消除率在45%左右。该工艺满足GB/T25713-2010标准。在实施该工艺后，首门在自由状态下，由于残余应力引起的变形满足后续工序的要求（支臂上各轴承座同心度偏差小于1mm）。