箱式電機機座焊后消除殘余應力熱處理研究

曹永勝 連 軍

(1.黑龍江林業職業技術學院，黑龍江 牡丹 157011;2.佳木斯電機股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

焊接殘余應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產生相當大的殘余應力和變形，這將對焊接接頭的各種力學性能產生不同程度影響。

箱式電機機座是機電設備中的重要部件之一，為大型復雜鋼板焊接結構，焊縫尺寸大數量多，焊后存在較大的焊接殘余應力。而電機在服役過程中，由于焊接殘余應力的釋放而產生變形，使電機的形狀、尺寸發生變化，尤其是軸孔徑尺寸的變化，嚴重影響電機的工作性能及壽命。

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

圖1 盲孔法殘余應力測量原理圖

1 研究方法及內容

1.1 試驗原理及其裝置

切割法和套環法測量殘余應力具有較大的破壞性，因此目前在焊接件和鑄件上應用的較多的殘余應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:焊件內部存在殘余應力場，在應力場內任意處鉆1個一定直徑和深度的盲孔后，盲孔周圍金屬中的殘余應力被釋放，原有殘余應力也失去平衡，這時盲孔周圍將產生一定量的釋放應變，由應變花測得其應變量，再利用彈性力學原理，計算盲孔處殘余應力值:

式(1)中:

ε1、ε2、ε3—三個方向釋放應變;

σ1、σ2—最大、最小主應力;

θ—σ1與1號片參考軸的夾角;

E—材料彈性模量;

A、B—兩個釋放系數。

其中A、B系數與鉆孔的孔徑、應變花尺寸、孔深有關。試驗采用型號為SDY2204的電阻應變儀，應變花型號為BE120－3CA。

1.2 應力釋放系數A、B標定［1－2］

在用盲孔法測量殘余應力時，確定釋放系數A、B至關重要，它直接影響殘余應力的測量精度。釋放系數A、B通常采用試驗測定。

圖2 標定試驗用試樣尺寸

標定實驗材料為Q23B鋼板，與電機機座材質相同，經消除應力退火后，再進行精加工，尺寸如圖1所示。在試樣的中間粘貼2個殘余應變計(應變計1、2)，用于測定釋放系數A和B，為監控實驗加載，在試樣的兩側粘貼2個單向應變計(應變計3、4)。殘余應變計的敏感柵尺寸為3mm×2mm。鉆孔時先用φ=1.0mm的鉆頭快速鉆孔，再用φ=1.2mm的鉆頭慢速擴孔，鉆孔深度h=1.5mm。鉆盲孔后，由敏感柵R1、R2和R3所測得的釋放應變分別為ε1、ε2、ε3，則O點的主殘余應力及其方向由公式(1)計算可得。

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

式中，ε1和ε3分別為沿σ1方向和垂直于σ1方向的線應變。按公式(2)計算后，得釋放系數的實驗測定結果如表1。

表1 釋放系數A、B的試驗測定值

1.3 電機機座焊接殘余應力測定

作者以實際產品為測定試件，針對不同的高溫回火工藝處理前后進行殘余應力測定。試驗采用CB 3395—92《殘余應力測試方法—鉆孔應變釋放法》。測試點選取在箱式電機機座端部大焊縫中段焊趾處，平行取三個測試點，測試點間距約為400～600mm。在測試點上粘貼應變花，鉆盲孔后，通過電阻應變儀測出盲孔周圍的應變，按公式(1)計算主應力的大小與方向，再計算出殘余應力經高溫回火后的變化率。

1.4 焊接接頭沖擊試驗［3］

執行GB/T 2650－2008《焊接接頭沖擊試驗方法》。按照相關標準及規范進行。

2 試驗結果及分析

2.1 電機機座焊接殘余應力測試結果及分析

經不同高溫高溫回火后殘余應力變化率見表2。

表2 高溫回火后殘余應力變化率

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

不難看出，殘余應力的消除效果與高溫回火的溫度及保溫時間有關。低碳鋼隨溫度升高屈服強度降低，塑性增加。當加熱溫度超過600℃時，低碳鋼處于塑性狀態，在高應力區將產生較大的塑性變形，而使殘余應力的得到較大的釋放。一般情況下，在殘余應力作用下產生的塑性變形比較緩慢，延長回火保溫時間有利于殘余應力進一步釋放。

2.2 焊接接頭沖擊試驗結果

焊接接頭試驗結果見表3。由試驗結果可知，焊后高溫回火，對焊接接頭沖擊韌性無影響。

表3 焊接接頭沖擊試驗結果

3 結論

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

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

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

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

(5)高溫回火對Q235B焊接接頭沖擊韌性無影響。

4 工藝建議

焊接殘余應力控制是箱式電機機座生產的技術難題，作者與佳木斯電機股份有限公司簽訂的《箱式電機機座焊接殘余應力控制》技術開發(委托)合同約定，通過采用合理的焊接工藝和消除應力熱處理，箱式電機機座的焊接殘余應力降低50%以上。試驗研究結果表明，采用合理高溫回火熱處理工藝對箱式電機機座進行焊后應力消除有著重要的意義。整體高溫回火加熱溫度在600～650℃時，消除殘余應力效果較好。考慮兼顧經濟性，建議采用整體高溫回火加熱溫度600～650℃，保溫2小時進行消除殘余應力熱處理。

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

［2］袁發榮，伍尚禮.殘余應力測試與計算［M］.長沙:湖南大學出版社，1987.

［3］GB/T 2650－2008《焊接接頭沖擊試驗方法》.