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矿用开关焊接构件振动时效工艺研究

某厂是矿用防爆电器开关的生产商,在电器开关焊接结构件生产过程中需对矿用防爆开关的壳体、前门等焊接结构进行消除应力处理,以稳定工件尺寸,保证隔爆结合面隔爆间隙,使其符合矿用防爆规程的要求。通常采用传统的热处理退火工艺,在热时效的过程中发现热时效虽能消除工件内部的一部分残余应力,但由于退火炉温度难于控制且温度分布不均匀,加上工件在退火炉摆放位置不同,不能完全保证消除工件内应力。由于工件内部残余应力的存在造成工件几何尺寸精度、平面度误差精度超差,导致产品报废的情况时有发生,影响产品质量的稳定。所以急需寻找新的方法代替热时效,经过考察研究后,决定采用振动时效工艺,通过对比试验验证其有效性。

振动时效工艺方案

1. 剪切振动

理论上讲被振工件在任何振动频率下只要动应力足够大就能达到均化残余应力和稳定尺寸的效果。为提高工作效率,设计了一个振动平台(尺寸3500mm*2000mm*40mm),可一次性振动处理工件8件,支撑方式采用4点支撑,这种振动对垂直面上的焊缝以及上下平面与各垂直的角焊缝都能产生较大的动应力,将加速度激振器设在边长较长的一边,以获得较高的共振频率,传感器放在边长较短的一边。这种振动模型阻力小,易于获得振幅较大的共振。为了取得*佳的振动效果,按工件结构形式、重量、残余应力的大小和分布不同,每次的振动时间需15-25min。

2. 多频振动

在同一种激振状态下(支点和激点都不改变位置),可采用不同的频率进行振动。若激振器功率大,还可以采用强迫振动。这种方案由于振动波长改变后动应力的峰值区域也发生变化,所以每改变一次频率都应改变加速度激振器的位置。

3. 振动时效工艺和残余应力测量

已知壳体重量为208.6t,长宽高为455*575*720mm;前门重量为38.9t,长宽高为575*58*570mm。振动时先用扫频法确定共振频率,然后进行振动时效处理,振动时间为15-20min,振动时对振频、振幅和动应力进行观察。

壳体主频率为4885r/min,偏心距为100%,加速度为3-8m/s2,动应力≥12MPa。

前门主频率为3847r/min,偏心距为100%,加速度为2-6m/s2,动应力≥10MPa。

分别在热时效和振动时效前后对工件进行残余应力测量,测点选取残余应力较大的部位,每个工件设2个测区,每个测区测15个点,每个测点的距离为15mm。采用磁测法进行无损残余应力测量,检测所用仪器为JH-60残余应力检测系统,其采集数据、应力大小、分布曲线全部由计算机完成。

振动时效结果分析

1.从2个工件振动参数可以看出,2个工件的振动均获得了关键的共振频率。因为在对物体进行振动时效时,物体本身也是一个振动体,它与工作台、固定支撑点组成了一个振动系统,工作台跨度较长,故共振频率就低了。动应力是振动时效中的关键参数,其大小直接影响振动时效的效果。为了获得较好的振动时效效果,激振器应设在边长较长的一边进行振动,振动时从各个方位测得的动应力值均大于10MPa。满足了理论上的数值要求,达到了预期的振动时效效果。

2. 焊接件尺寸稳定性不仅受到残余应力大小影响,还受到残余应力均匀性影响。振动时效不仅可以消除应力,而且能消除应力峰值,使应力均匀化。根据热时效和振动时效前后残余应力数值对比可以看出,焊缝附近存在的残余拉应力和残余压应力,在振动后受力状态发生了变化,这进一步说明振动时效后应力分布确实朝着有利的状态变化。

3. Q235钢板的允许工作应力σ=240MPa,作为低周疲劳刚性设计,其工作应力一般为1/3σ,即80MPa,而实际设计中的工作应力仅设计为35MPa。结果表明,振动前所测的测点中有4个点的残余应力在80MPa以上,还有一个为125MPa。而振后2个工件的*大残余应力在94MPa以上,还有一个为61.7MPa,将其与设计工作应力迭加也小于240MPa。可见,振动时效后工件将在弹性区间工作,而不会出现失稳状态,满足了工件服役尺寸稳定性的要求。

4. 测量数据表明,热时效的平均消除率为33.8%,振动时效的平均消除率为37.8%,消除率数据也较为接近,由于振动时效工艺具有省、方便、成本低、节能环保的特点,故振动时效整体效果优于热时效,采用振动时效工艺用于消除各类矿用开关中壳体、前门等焊接件的残余应力是可行的。


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2021-04-30

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