箱式電機(jī)機(jī)座焊后消除殘余應(yīng)力熱處理研究

曹永勝 連 軍

(1.黑龍江林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 牡丹 157011;2.佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

焊接殘余應(yīng)力是由于焊接引起焊件不均勻的溫度分布，焊縫金屬的熱脹冷縮等原因造成的，所以伴隨焊接施工必然會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余應(yīng)力和變形，這將對(duì)焊接接頭的各種力學(xué)性能產(chǎn)生不同程度影響。

箱式電機(jī)機(jī)座是機(jī)電設(shè)備中的重要部件之一，為大型復(fù)雜鋼板焊接結(jié)構(gòu)，焊縫尺寸大數(shù)量多，焊后存在較大的焊接殘余應(yīng)力。而電機(jī)在服役過程中，由于焊接殘余應(yīng)力的釋放而產(chǎn)生變形，使電機(jī)的形狀、尺寸發(fā)生變化，尤其是軸孔徑尺寸的變化，嚴(yán)重影響電機(jī)的工作性能及壽命。

高溫回火熱處理作為一種在生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛、效果最好的方法，具有降低、均化殘余應(yīng)力和穩(wěn)定工件尺寸精度的作用，且采用整體效果好于局部。本課題針對(duì)整體高溫回火消除箱式電機(jī)機(jī)座焊接殘余應(yīng)力效果，以及對(duì)機(jī)座沖擊韌性的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究與分析。

圖1 盲孔法殘余應(yīng)力測量原理圖

1 研究方法及內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)原理及其裝置

切割法和套環(huán)法測量殘余應(yīng)力具有較大的破壞性，因此目前在焊接件和鑄件上應(yīng)用的較多的殘余應(yīng)力是測量方法就是盲孔法，并且這種方法具有較高的精度。鉆盲孔測量法原理為:焊件內(nèi)部存在殘余應(yīng)力場，在應(yīng)力場內(nèi)任意處鉆1個(gè)一定直徑和深度的盲孔后，盲孔周圍金屬中的殘余應(yīng)力被釋放，原有殘余應(yīng)力也失去平衡，這時(shí)盲孔周圍將產(chǎn)生一定量的釋放應(yīng)變，由應(yīng)變花測得其應(yīng)變量，再利用彈性力學(xué)原理，計(jì)算盲孔處殘余應(yīng)力值:

式(1)中:

ε1、ε2、ε3—三個(gè)方向釋放應(yīng)變;

σ1、σ2—最大、最小主應(yīng)力;

θ—σ1與1號(hào)片參考軸的夾角;

E—材料彈性模量;

A、B—兩個(gè)釋放系數(shù)。

其中A、B系數(shù)與鉆孔的孔徑、應(yīng)變花尺寸、孔深有關(guān)。試驗(yàn)采用型號(hào)為SDY2204的電阻應(yīng)變儀，應(yīng)變花型號(hào)為BE120－3CA。

1.2 應(yīng)力釋放系數(shù)A、B標(biāo)定［1－2］

在用盲孔法測量殘余應(yīng)力時(shí)，確定釋放系數(shù)A、B至關(guān)重要，它直接影響殘余應(yīng)力的測量精度。釋放系數(shù)A、B通常采用試驗(yàn)測定。

圖2 標(biāo)定試驗(yàn)用試樣尺寸

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)材料為Q23B鋼板，與電機(jī)機(jī)座材質(zhì)相同，經(jīng)消除應(yīng)力退火后，再進(jìn)行精加工，尺寸如圖1所示。在試樣的中間粘貼2個(gè)殘余應(yīng)變計(jì)(應(yīng)變計(jì)1、2)，用于測定釋放系數(shù)A和B，為監(jiān)控實(shí)驗(yàn)加載，在試樣的兩側(cè)粘貼2個(gè)單向應(yīng)變計(jì)(應(yīng)變計(jì)3、4)。殘余應(yīng)變計(jì)的敏感柵尺寸為3mm×2mm。鉆孔時(shí)先用φ=1.0mm的鉆頭快速鉆孔，再用φ=1.2mm的鉆頭慢速擴(kuò)孔，鉆孔深度h=1.5mm。鉆盲孔后，由敏感柵R1、R2和R3所測得的釋放應(yīng)變分別為ε1、ε2、ε3，則O點(diǎn)的主殘余應(yīng)力及其方向由公式(1)計(jì)算可得。

釋放系數(shù)A、B通常在均勻單向拉伸應(yīng)力σ1=σ、σ2=0中測定，在此情況下釋放系數(shù)A、B分別為

式中，ε1和ε3分別為沿σ1方向和垂直于σ1方向的線應(yīng)變。按公式(2)計(jì)算后，得釋放系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果如表1。

表1 釋放系數(shù)A、B的試驗(yàn)測定值

1.3 電機(jī)機(jī)座焊接殘余應(yīng)力測定

作者以實(shí)際產(chǎn)品為測定試件，針對(duì)不同的高溫回火工藝處理前后進(jìn)行殘余應(yīng)力測定。試驗(yàn)采用CB 3395—92《殘余應(yīng)力測試方法—鉆孔應(yīng)變釋放法》。測試點(diǎn)選取在箱式電機(jī)機(jī)座端部大焊縫中段焊趾處，平行取三個(gè)測試點(diǎn)，測試點(diǎn)間距約為400～600mm。在測試點(diǎn)上粘貼應(yīng)變花，鉆盲孔后，通過電阻應(yīng)變儀測出盲孔周圍的應(yīng)變，按公式(1)計(jì)算主應(yīng)力的大小與方向，再計(jì)算出殘余應(yīng)力經(jīng)高溫回火后的變化率。

1.4 焊接接頭沖擊試驗(yàn)［3］

執(zhí)行GB/T 2650－2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 電機(jī)機(jī)座焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果及分析

經(jīng)不同高溫高溫回火后殘余應(yīng)力變化率見表2。

表2 高溫回火后殘余應(yīng)力變化率

由殘余應(yīng)力測試結(jié)果可知，原整體高溫回火熱處理后，焊接殘余應(yīng)力消除了60～70%。不改變回火溫度和保溫時(shí)間前提下，兩次整體高溫回火后，焊接殘余應(yīng)力消除了約80%。局部高溫回火+整體高溫回火后，焊接殘余應(yīng)力消除了約83%。延長整體高溫回火保溫時(shí)間一小時(shí)后，焊接殘余應(yīng)力消除了約84%。提高整體回火溫度后，焊接殘余應(yīng)力消除了約86～91%。提高整體回火溫度+延長回火保溫時(shí)間后，殘余應(yīng)力消除了約94%。

不難看出，殘余應(yīng)力的消除效果與高溫回火的溫度及保溫時(shí)間有關(guān)。低碳鋼隨溫度升高屈服強(qiáng)度降低，塑性增加。當(dāng)加熱溫度超過600℃時(shí)，低碳鋼處于塑性狀態(tài)，在高應(yīng)力區(qū)將產(chǎn)生較大的塑性變形，而使殘余應(yīng)力的得到較大的釋放。一般情況下，在殘余應(yīng)力作用下產(chǎn)生的塑性變形比較緩慢，延長回火保溫時(shí)間有利于殘余應(yīng)力進(jìn)一步釋放。

2.2 焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭試驗(yàn)結(jié)果見表3。由試驗(yàn)結(jié)果可知，焊后高溫回火，對(duì)焊接接頭沖擊韌性無影響。

表3 焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)整體高溫回火加熱溫度550～650℃，保溫2小時(shí)熱處理后，焊接殘余應(yīng)力消除了60～70%。回火保溫3小時(shí)熱處理后，焊接殘余應(yīng)力消除了約84%。

(2)兩次整體高溫回火加熱溫度550～650℃，保溫2小時(shí)熱處理后，焊接殘余應(yīng)力消除了約80%。

(3)局部高溫回火+整體高溫回火加熱溫度550～650℃，保溫2小時(shí)熱處理后，焊接殘余應(yīng)力消除了約83%。

(4)整體高溫回火加熱溫度600～650℃，保溫2小時(shí)熱處理后，焊接殘余應(yīng)力消除了約86～91%。回火保溫時(shí)間3小時(shí)熱處理后，殘余應(yīng)力消除了約94%。

(5)高溫回火對(duì)Q235B焊接接頭沖擊韌性無影響。

4 工藝建議

焊接殘余應(yīng)力控制是箱式電機(jī)機(jī)座生產(chǎn)的技術(shù)難題，作者與佳木斯電機(jī)股份有限公司簽訂的《箱式電機(jī)機(jī)座焊接殘余應(yīng)力控制》技術(shù)開發(fā)(委托)合同約定，通過采用合理的焊接工藝和消除應(yīng)力熱處理，箱式電機(jī)機(jī)座的焊接殘余應(yīng)力降低50%以上。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，采用合理高溫回火熱處理工藝對(duì)箱式電機(jī)機(jī)座進(jìn)行焊后應(yīng)力消除有著重要的意義。整體高溫回火加熱溫度在600～650℃時(shí)，消除殘余應(yīng)力效果較好?？紤]兼顧經(jīng)濟(jì)性，建議采用整體高溫回火加熱溫度600～650℃，保溫2小時(shí)進(jìn)行消除殘余應(yīng)力熱處理。

［1］中國船舶總公司.CB 3395－92殘余應(yīng)力測試方法鉆孔應(yīng)變釋放法［S］.北京:中國船舶工業(yè)總公司，1992.

［2］袁發(fā)榮，伍尚禮.殘余應(yīng)力測試與計(jì)算［M］.長沙:湖南大學(xué)出版社，1987.

［3］GB/T 2650－2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》.