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    振動時效在焊接件中不同振動方式消除應力的對比

    更新時間:2020/10/17  點擊數:1040


    焊接是一個非常不均勻的加熱母材的過程,巨大的溫差引起內部殘余應力。利用振動時效減小殘余應力是使材料產生屈服,減小殘余結構應力的峰值,有利于使殘余應力得到降低和均化。
    研究對象是某軍工企業十分重要的環形金屬抱箍特種焊接件,以下簡稱抱箍焊接件。通過理論建模分析和試驗驗證對該結構件進行了綜合研究分析。具體地,利用ANSYS有限元軟件對該結構件進行了模態參數識別和諧響應分析,并對該結構件進行激振試驗以及試驗前后的殘余應力數據對比分析。諧響應分析模擬了金屬箍構件進行的振動作用時效,分析了在不同位置激振對環形抱箍特種焊接件振動時效的影響。通過理論分析和試驗驗證獲得的數據以及對不同激振方式振動時效的對比分析得出了焊接殘余應力消減率有顯著差異的分析結果,這種分析提高企業對金屬箍構件的振動時效工藝水平。

    有限元諧響應分析技術可以得到該環形焊接 件在固有頻率激振時的動態響應,得到在不同位置 激振的響應特性。諧響應分析只適用于穩定狀態 下的受迫振動運算分析,振動時效過程屬于焊接件穩態受迫振動,符合諧響應分析要求。


    抱箍焊接件具有高度對稱性,對筋板焊接集中 區上側板、筋板焊接集中區的外側板、非筋板焊接 集中區的上側板和非筋板焊接集中區的外側板施 加相同的載荷,對比觀察焊接件有限元模型的各部 位振動響應。


    將焊接件三維模型導入 ANSYS 中,添加 Q235 材料的相關性能參數。

    通過對比四個不同位置激振的振型云圖,當在 非焊接集中區進行激振時,在激振點附近殘余應力 集中區的振動特性好,明顯地減小和消減了該部位 的殘余應力 ;而距離遠的焊接集中區振動特性不好,殘余應力消減較少,所以選擇圖①b 和圖①c 中 的激振位置為激振點,由于圖①c 便于安裝激振器, 所以選擇圖①c 所示位置。

    a)激振點為非焊接 b)激振點為焊接 集中區上側板 集中區上側板

    c)激振點為焊接 d)激振點為非焊接 集中區外側板 集中區外側板圖 1 位移響應云圖


    振動時效消除殘余應力試驗研究4.1 試驗方法為了取得更好的試驗結果,對正常生產系統中 的 某 一 批 次 抱 箍 焊 接 件 進 行 試 驗 。 該 特 種 焊 接 件 的板材材料為 Q235,板厚多為 5mm,焊接工藝和路徑 采用企業相應的工藝標準要求,焊接速度為 6mm/s。

    利用 XC05Y振動時效系統控制器,綜合分析影響因素和限制因素,根據以上的計算和分析可得振動時效時的轉速為 7800 r/min。以該轉速進行穩定 的 平 臺 整 體 激 振 操 作 ,即 A 組 操 作 ,以 及 局 部 裝 夾 激振器激振操作,即 B 組操作,時效時間均設定為十 五分鐘。利用盲孔法分別進行測量 A 組和 B 組時效處理前后殘余結構應力。測量是根據盲孔法測量的要求,應用專用應變片和鉆孔設備進行的。測量完成后通過相關理論與計算公式計算得出焊接殘余應力值的大小。4.2 試驗數據和結果分析正如前所述,A 組是利用振動平臺進行振動時 效時的焊接殘余應力消減情況,B 組是將激振器裝在 焊 接 肋 集 中 區 的 外 板 位 置 進 行 時 效 處 理 時 的 殘 余應力消減狀況。用于實驗的試件數量為 12 個,分 為兩組。它們是同一批次產品,具有完全相同的設 計 和 結 構 ,將 其 編 號 為 A 組 和 B 組 的 1、2、3、4、5 和6。

    通過觀察A、B組的數據可以減小個體因素對實驗結果的影響。在對環形金屬焊接件進行振動時效時,保證每個環形金屬焊接件的激振器裝夾位置相同及其他影響因素均相同,兩組的實驗時間均為15分鐘。根據以上表格所得數據可知當對筋板焊接集 中區外側板進行激振時,殘余應力消減率為 60% 左 右,而激振平臺的殘余應力消減率僅為 40%。

    結 論

    (1)利用ANSYS有限元軟件對環形金屬抱箍特種焊接件進行了消除殘余應力分析。首先對其進行了模態分析,確定了前六階模態振型和模態參數。接著對其進行了諧響應分析,得出在筋板焊接集中區外側板位置進行激振時能使抱箍焊接件的有限元模型達到較好振動響應。

    (2)采用比較分析方法,分別采用平臺整體激振法和激振器裝夾在指定最優位置法進行振動時效試驗分析,通過試驗可知,當對筋板焊接集中區外側板進行激振時 ,殘余應力消減率增加將近20%,取得的效果明顯。

    (3)系統提出了一種金屬抱箍類焊接件的振動時效可以消除焊接殘余應力工藝研究步驟,即通過有限元分析確定激振優化點,并用合適的激振參數 在該點進行激振器激振獲得更大消減率。

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