超聲波振動時效在水工金屬結構件中的運用

施秉亮，陳忠敏

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明650032）

0 前言

焊接殘余應力是影響金屬結構焊接件使用壽命的重要因素，為減少焊接殘余應力，除了在焊接過程中選擇合適的焊接工藝外，通常還可采取一系列方法來降低焊接殘余應力。

目前常用的焊接殘余應力消除方法有：自然時效、熱處理時效、振動時效等，本文通過LXB供水工程的岔管焊后消應，首次將超聲波振動時效運用到水工金屬結構的殘余應力處理中，取得了良好效果。

1 岔管技術參數

LXB供水工程岔管整體重222.72 t，長13 m、寬18.123 m、高8.2 m，岔管主要由14個部件組成，具體見圖1。

圖1 岔管體型示意圖

如圖所示：1.主管；2.焊柱；3.左腰梁；4.左支管；5.左彎管；6.左 U 梁；7.中支管 1；8.中支管 2；9.右U 梁；10.右彎管；11.右支管；12.右腰梁；13.腰梁翼緣補強板；14.U梁翼緣補強板。

岔管消應要求：岔管焊后殘余應力消除率≥50%，消應后殘余應力不得大于材料屈服強度的50%。

岔管主管、支管、彎管的材料為σ=30 mm的Q345C鋼板，焊柱的材料為 Φ600～1 200 mm的Q345C-Z25圓鋼，腰梁和U梁的材料為σ=120 mm的Q345C-Z25鋼板，腰梁和U梁的翼緣補強板為σ=60 mm的Q345C-Z25鋼板。

2 消應方案選擇

自然時效由于周期長、占地面積大、效率低、不適合快速的市場經濟等缺點基本已不被采用。

熱處理時效存在費用高、能耗大、環境污染大、周期也比較長、不符合環保減排要求，并且由于本工程岔管體型大、重量大的特點，不適合本工程采用。

振動時效具有環保、節能、快速、靈活、不受工件尺寸和場地限制，時效過程中不產生氧化皮和時效變形的優點，現在使用比較普遍。但普通振動時效只能達到30%的應力消除率，不符合本工程的要求。

超聲波振動時效應力消除率達80%以上，比目前消除應力效果最好的熱處理時效還要好，而且具有振動時效的優點，能夠達到本工程的要求，因此選擇超聲波振動時效作為本工程的消應方式。

3 超聲波振動時效的原理和技術特點

3.1 超聲波振動時效的原理

超聲波振動時效的原理就是利用大功率設備推動沖擊工具以2 000 Hz以上的頻率沖擊金屬物體表面，由于沖擊工具的高頻、高效和聚焦下的大能量，使金屬表層產生較大的壓縮塑性變形；同時超聲波消應設備產生的能量波改變了原有的應力場，產生一定數值的壓應力，使被沖擊部位得以強化（圖2）。

圖2 超聲波振動時效原理圖

從調整超聲振動頻率入手，在共振狀態下，用最小的振動能量，使工件產生最大的振幅，得到最大的動應力和動能量，從而使構件中的殘余應力消除的更徹底。

3.2 超聲波振動時效的技術特點

（1）由于其能量聚焦性好、密度大，所以可使被其作用下的材料原子中的電子層增厚，激活能增加，從而減少原子間的結合力，使材料的塑性能大幅度提高，但在超聲波振動去掉后材料又恢復原來的機械性能；

（2）在超聲波振動的作用下極易使材料內部的歪曲晶格恢復平衡或產生壓縮式變形，從而達到消除殘余應力和預置壓應力的目的。

4 消應方案

4.1 消應方案流程步驟

流程步驟見圖3。

4.2 消應工件分析

本次要消應處理的岔管為大型焊接構件，體積大、重量大、焊縫多且分布復雜，特別是焊柱處集中了主管、支管、腰梁、U梁及其翼緣補強板的焊縫，由于焊接板材的厚度大、雙面施焊，焊接工藝復雜，殘余應力難以控制。并且由于岔管消應時已在安裝地點就位，消應時應對岔管進行加固，避免在消應中使岔管產生位移，從而影響安裝。

圖3 消應方案流程圖

4.3 加固處理

利用預埋25號工字鋼和槽鋼對岔管進行加固，加固的強度為向上支撐力，主要加固部位為岔管主管、支管、彎管及腰梁和U梁，保證在消應過程中岔管不生產位移。

4.4 消應設備

（1）全功能高能在線測試與調節的振動時效系統1臺；

（2）超聲波頻譜振動消除應力系統1臺；（3）超聲波焊接應力消除設備2臺；（4）盲孔法殘余應力檢測儀1臺；（5）振動參數在線測試與監控系統10臺。

4.5 消應前殘余應力檢測

岔管消應前，選取內壁9個點和外壁12個點作為殘余應力檢測點，具體見表1（消應前的檢測數值見表 2）。

應力檢測采用HK21 A型應力檢測儀對上述點進行檢測，檢測方法和步驟按照盲孔法進行。

選用專用應變花，每個應變花包含3個應變計，按 0°、45°、90°分布，鉆孔直徑 1.5 mm，深度 2 mm。

4.6 消應順序的確定

通過消應前的焊接殘余應力檢測，掌握應力的大小和方向，校對應力分析的可靠性，同時作為消應后的應力對比基礎。

對應力集中的焊柱處，遵循從應力較小部位往應力高的部位進行消除，避免應力大幅消除造成的應力開裂事故。

表1 殘余應力檢測點

（1）首先對焊柱的焊縫及熱影響區進行消應，上、下兩個焊柱同時進行消應，焊柱消應方向從焊柱端部往岔管主體方向移動。

（2）對腰梁、U梁的拼接焊縫及熱影響區進行消應，消應方向從焊縫中間往兩端移動。

（3）對腰梁、U梁與管體的外壁組合焊縫及熱影響區進行消應，消應方向由腰部往兩端移動。

（4）對腰梁、U梁與管體的內壁組合焊縫及熱影響區進行消應，消應方向由腰部往兩端移動。

（5）對焊柱內壁腰梁、U梁的組合焊縫進行消應，消應方向由腰部往兩端移動。

4.7 超聲波消應參數的選擇

通過對消應前焊接殘余應力的分析，殘余應力較大的部位分別位于 2A、5A、6A、2B、4B、7B、8B 處（其中2B處達到403.14 MPa），應力較大部分基本集中在焊柱處，因此焊柱處焊縫消應需要采用較大的輸入能量以達到消除應力的要求。根據殘余應力分布，消應參數選取如下：

（1）電壓：220 V 。

（2）電流：2.2～2.8 A 。

（3）沖擊工具：扁平式（焊柱處的焊縫采用三針式）。

（4）消應速度：焊柱處的焊縫消應速度為50 mm/min，腰梁、U梁的拼接焊縫消應速度為50～100 mm/min，腰梁、U梁與管體的組合焊縫消應速度為 100～150 mm/min。

（5）消應方法：往復式消應。

4.8 整體振動消應

焊縫消應完成后，對岔管整體進行振動消應，進一步降低焊接殘余應力：

（1）在岔管的底部及側面的10個位置布置振動傳感器，以實時檢測岔管在振動處理過程中實時的振動參數，防止發生岔管位移超差，甚至是事故，同時保證整體振動消應的效果；

（2）將激振器分別夾在腰梁和U梁上，對岔管進行整體振動消除應力；

（3）將激振器的激振力設置為最大值的10%左右，對工件進行掃頻處理，并分析岔管的各個共振頻率，選擇較為合適的頻率，在實時振動狀態下逐漸加大激振力使岔管的振動加速度達到合理值，確定出最優化的頻率組合；

（4）在最優頻率組合下，在各個頻率及用對應的激振力對岔管進行整體振動處理。

4.9 消應后應力檢測

消應完成后，距離消應前選點15 mm外，同樣利用盲孔法進行檢測。

4.10 測試結果和數據對比

見圖 4、5、表 2。

圖4 內壁消應前后應力柱狀圖

圖5 外壁消應前后應力柱狀圖

表2 消應前后數據對比

5 結論

通過對消應前后殘余應力的數值對比：

岔管內壁殘余應力的平均消除率為84.7%，消應后殘余應力與屈服強度的平均比值為3.7%；岔管外壁殘余應力的平均消除率為98.14%，消應后殘余應力與屈服強度的平均比值為1.7%；岔管總體殘余應力的平均消除率為91.4%，消應后殘余應力與屈服強度的比值為2.7%。

采用超聲波振動時效方法，岔管殘余應力消除效果明顯，達到了消應要求，并且部分測試點從消應前的拉應力變為壓應力，可大大提高岔管的使用壽命。