振動時效對抽水蓄能發電電動機磁軛焊接殘余應力影響分析

魏 松，程廣福，丁軍鋒

（1．哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040；2．哈電發電設備國家工程研究中心有限公司，黑龍江省哈爾濱市 150028；3．水力發電設備國家重點實驗室，黑龍江省哈爾濱市 150040）

0 引言

磁軛是抽水蓄能機組發電電動機的一個極其重要的部件，既是發電電動機磁路的組成部分，也是固定磁極的結構部件，在發電電動機組運行過程中起著重要的作用。磁軛結構的穩定性直接影響機組的安全、可靠運行，磁軛運行過程中，磁軛受力情況復雜，需承受自身離心力、磁極離心力、磁拉力以及扭矩作用，有的還要承受熱套帶來的配合力作用[1-3]。目前，國內外發電電動機磁軛結構廣泛采用整圓厚鋼板制造[4]，而隨著機組尺寸的不斷增大，整張鋼板將無法滿足磁軛的尺寸，因此，由鋼板拼焊制造磁軛成為唯一的解決方案。

對于拼焊結構磁軛，為了保證焊后機械加工過程中磁軛的尺寸精度（尤其是平面度），加工前需進行消除應力處理，鑒于高強度鋼板，如780CF，不建議進行熱處理方法消除應力處理，因此，嘗試采用振動時效技術來消除應力，穩定加工尺寸。

振動時效（vibration stress relief，VSR）又稱振動消除應力法，其實質是在試件的高殘余應力區，施加動應力與試件中殘余應力疊加，使金屬晶體產生位錯運動，內部產生微觀塑性變形， 殘余應力得以釋放，達到調整和均化殘余應力分布的目的，具有工藝簡單、效率高、能耗低等優點，在航空、航天、兵器、發電設備、機床、模具、核工業、工程機械等各個領域有著廣泛的應用。目前，振動時效消除應力技術已列為國家重點攻關項目和重點推廣技術之一，在制造領域創造了巨大的經濟效益和社會效益[5-8]。

1 試驗過程

1.1 研究方法

根據研究需求，制造了由4塊780CF扇環形板材拼焊而成的圓環磁軛試件，在磁軛拼焊完成后，采用振動時效的方法進行消除應力及穩定尺寸處理，并通過振動前后焊接接頭區域的殘余應力的分布及變化情況對振動時效的效果進行分析。此外，為了與振動時效的消除應力效果進行對比，采用相同焊接工藝制造了另外一個相同尺寸的圓環磁軛試件，并采用熱處理的方式進行焊后消除應力處理，并在熱處理前后對其焊接接頭區域的殘余應力的分布及變化情況進行了測試分析。通過振動時效和熱處理時效的效果對比，進一步對振動時效的消除應力效果進行評價。試驗中采用盲孔應力釋放法低焊接接頭區域的殘余應力進行測試。

1.2 振動時效前后殘余應力測試

在磁軛試件殘余應力測試過程中，隨機選取1條焊縫，分別對圓環內部和外部兩個部位的殘余應力進行了測試，測試位置如圖1所示。殘余應力測試點垂直焊道方向分布，并以焊縫中心為對稱，分別位于焊縫中心、熔合區、熱影響區和母材。在振動時效前后，分別對以上位置的殘余應力進行了測試。

圖1 殘余應力測試位置及振動時效裝配工藝Figure 1 Residual stress test location and vibration aging assembly process

在磁軛振動時效過程中，磁軛采用4點支撐，支撐點避開焊縫均勻分布，激振器裝卡于兩相鄰支撐點之間，振動時效的裝配工藝如圖1所示。

1.3 熱處理前后殘余應力測試

在磁軛殘余應力測試過程中，隨機選取1條焊縫，分別對圓環內部和外部兩個部位的殘余應力進行了測試，測試位置與振動時效試件相同。

殘余應力測試點垂直焊道方向分布，并以焊縫中心為對稱，分別位于焊縫中心、熔合區、熱影響區和母材，如圖2所示。在熱處理前后，分別對以上位置的殘余應力進行了測試。

圖2 殘余應力測試點位置分布Figure 2 Location distribution of residual stress test points

2 殘余應力測試結果及分析

振動時效前后測得的磁軛的焊接殘余應力值如表1所示，主應力σ1分布如圖3所示。可以看到，焊后磁軛焊接殘余應力峰值較高，達到600MPa以上，并且分布不均勻。振動時效處理后，殘余應力峰值顯著降低，降至300MPa以下，并且分布較為均勻，振動時效消除應力效果良好。

表1 磁軛振動時效前后焊接殘余應力值Table 1 Welding residual stress values before and after vibration aging of the magnetic yoke

圖3 振動時效后磁軛焊接殘余應力分布Figure 3 Residual stress distribution of yoke welding after vibration aging

熱處理前后測得的磁軛的焊接殘余應力值如表2所示，主應力σ1分布如圖4所示。可以看到，熱處理前磁軛外圈焊接殘余拉應力峰值達到200MPa以上，壓應力為91MPa，并且分布不均勻；熱處理后，殘余拉應力峰值降至75MPa，壓應力變化不大，與熱處理前相比，應力分布較為均勻，熱處理有一定的消除應力效果。熱處理前磁軛外圈焊接殘余拉應力峰值為75MPa，壓應力為92MPa，并且分布不均勻；熱處理后，大部分拉應力轉化為壓應力，且峰值升高至119MPa，殘余應力分布仍不均勻，均一化效果不明顯，熱處理效果不好。

表2 磁軛熱處理時效前后焊接殘余應力值Table 2 Welding residual stress values before and after the yoke heat treatment and aging

圖4 熱處理前后磁軛焊接殘余應力分布Figure 4 Residual stress distribution of yoke welding before and after heat treatment

3 結論

（1）深蓄磁軛焊后焊接殘余應力峰值很高，且分布不均勻，振動時效后殘余應力峰值顯著降低，且應力分布較為均勻。采用振動時效工藝可以有效地降低磁軛的殘余應力，并在一定程度上實現了應力的均一化分布。

（2）熱處理后磁軛外圈的焊接殘余應力峰值降低，且均一化效果較好，而內圈殘余應力峰值出現拉轉壓、峰值增大的情況，且均一化效果不明顯，熱處理時效對磁軛外圈的焊接殘余應力消除效果較好，而內圈的應力消除效果不理想。

（3）與熱處理方式相比，拼焊圓環磁軛試件的振動時效消除應力效果同樣明顯，而且均一化效果更好，鑒于振動時效技術所具有的優勢，未來拼焊磁軛的制造過程可以采用振動時效的方法來消除應力，穩定加工尺寸精度。