振动时效—振动焊接技术

焊接构件的振动时效技术是对已焊接成型的构件进行振动处理，用以降低和均化由於焊接造成的残余应力。而振动焊接是首先将被焊部件进行振动，且边振动边焊接，直到焊完为止。这种振动是在一定频率范围内的轻微振动，其作用如下：首先，当焊缝金属在熔溶状态时，振动可以使组织发生变化，晶粒得以细化。焊缝晶粒细化必将使材料力学性能得到提高；其次在有温度作用下，焊缝处材料屈服极限很低，因此振动很容易使热应力场得到缓解，极易发生热塑性变形，而释放受约束应变，使应力场梯度减少，故使最后的焊接残余应力得到降低或均化；第三由于振动，在结晶过程中使气泡杂质等容易上浮，氢气易排除，焊缝材料与母材过渡连接均匀、平缓，降低应力集中，提高焊接质量。因此振动焊接可以有效地防止焊接裂纹和变形，提高构件的疲劳寿命，增强机械性能。

振动焊接技术是在振动时效技术基础上发展起来的。但振动焊接技术的作用明显优於振动时效技术。振动时效技术是在构件焊好后使用的处理技术，只能对焊接残余应力起到降低和均化作用，而振动焊接技术从焊接开始就起到细化晶粒的作用，接着在热状态下通过热塑性变形来调整应变而降低残余应力。因此，可以说振动焊接从一开始就起到了防止焊接裂纹和减少变形的作用。提高焊接质量是优於振动时效技术的最突出优点。做为振动焊接，它并不要求构件必须达到共振状态，只要达到某一频率范围内且具有一定的振幅就可以，因此振动焊接技术可以在任何构件上应用。特别是在大型结构件焊接修复时，振动焊接就完全可以实现，焊后不再使用热时效处理。

在这里必须说明的是“振动焊接技术”包括两个方面，即“焊接技术”与“焊接振动技术”两个内容。这里说的“焊接技术”就是正常的焊接技术，而“焊接振动技术”就是在焊接过程中根据不同构件施加一种不同参数的机械振动。这一章就是研究关於“振动焊接”的作用和“振动焊接”的工艺参数选择原理。

振动焊接对焊接残余应力分布的影响

振动时效是在构件焊接完成后在常温下进行的。因此要使动应力和残余应力之和大于材料常温下的屈服极限（σ_S）则必须具有较大激振力。振动焊接是在焊接的整个过程中，包括降温过程在内，给被焊构件一个较轻微的振动，使焊缝在热状态下调整应变而改变热应力场，从而达到降低和均化应力。因为在焊缝降温到700℃左右时，开始具有强度，随着温度的下降，强度逐渐增大。屈服极限的变化如图1.3所示。振动焊接从一开始就给予振动，必然在焊缝处产生一定的动应力，尽管这个应力很小，但这时由於温度较高，材料的屈服极限很低，因此极容易使焊缝处产生热塑性变形，使受约束应变得到释放而缓和应力场，上述分析通过板梁试验得到初步验证。

一、板梁的振动焊接

取16Mn钢板长100cm、宽12cm、厚1.2cm共8块，每两块为一组对焊成一块钢板，共对焊成4块。每一组试板均为两端简支，中间为激振点，焊接方式为激振点左半部为振动焊接另一半为正常焊接。振动焊接时振动频率为30Hz，中间振幅约0.2mm。四块试板焊好后，按图4、1所示位置做残余应力测试，结果如表1所示。

悬臂振动焊接

从表1中不难看出振动焊接使焊接残余应力普遍下降。

为研究支承方式对焊接残余应力的影响，在上述研究基础上又做了两块一端固定，另一端悬臂，并在悬臂端激振焊接的试板如图4.2。

首先从端头做激振处理，从根部开始焊接，当焊到中部后停止激振，沿焊缝继续做正常焊接，直到最后。即一半为振动焊接，一半为正常焊接。焊后做残余应力测试，如表2所示。

表2  焊缝残余应力测试数据

（一端固定式板梁对焊）

从表2可见，一端固定的板梁振动焊接残余应力比正常焊接仍然普遍下降。由上可得出初步结论：

1．振动焊接下与正常焊接相比，其残余应力均有普遍的下降，其下降比例在30%以上，可以与振动时效相比。

2．振动焊接时，工件的支承方式对焊接结果影响不大，关键是要使工件振动，即与振幅及频率有关。

二、箱型梁上面板横焊缝的振动焊接

这是实际构件应用振动焊接的一次实验。箱型梁结构如图4.3所示。即梁的上盖板中间部位有一横向焊缝。首先将构件支在振动台上，两端用压板轻轻压上，以避免振动时移位。其振动由振动台来提供，当振动台起振后，箱型梁随之振动。为研究频率对焊接的影响，我们选择两种频率，即60Hz和80Hz，前者称低频，后者称高频。此两种频率时，箱型梁并不一定要共振。这样，我们选定三个箱型梁，分别做正常焊接、60Hz振动焊接和80Hz振动焊接，焊好后，在焊缝上和焊缝边共选6点测其残余应力，数值如表3。

箱型梁振动台振动焊接

表3  箱型梁振动焊接与非振动焊接残余应力测量值比较表

从上表可见，振动焊接应力普遍下降和均化，且低频焊接效果优於高频焊接。

上述研究综合起来不难得出如下结论：

1．在焊接过程中施加振动，可以使热应变释放而降低焊接残余应力，其效果可达30%以上。

2．在焊接过程中施加振动，可使约束应变处首先得到释放，使应力均化。

3．在焊接过程中施加振动，使垂直焊缝方向的应力降低比例大，有利於防止焊接裂纹。

4．低频振动焊接可能比高频振动焊接效果更好一些。

5．振动台振动与构件本身共振均可降低和均化应力，故不一定要求被焊件产生共振。

6．振动焊接改善了焊缝的宏观质量。

振动焊接对焊缝疲劳性能的影响

焊接结构的破坏大多数是疲劳破坏，而且疲劳破坏大多数发生在焊缝附近，这是近一百年来人们所公认的。因为它是焊接结构普遍存在的问题。因此在研究振动焊接技术的时候必须研究振动焊接对疲劳性能的影响。在振动时效机理的研究中，已经实验证明：由於降低和均化了应力，使焊缝的疲劳性能增强，构件的疲劳寿命得到提高。在上节的研究中已经证明，振动焊接较好地降低了焊接应力，因此焊缝的疲劳性能肯定有所增长，为定量分析其结果，我们做了大量的实验来证明，结果如分析的一样。

一、板梁试件的疲劳寿命对比试验

将正常焊、简支振动焊和平台振动焊三种工况的板梁，各切取试件10根在相同的应力所对应的荷载下做疲劳寿命对比试验，加载方式如图4.4，结果如表4~表7。

疲劳试件加载方式示意图

表4  板梁正常焊接试件疲劳寿命

表5  板梁简支振动焊接试件疲劳寿命

表6  板梁平台振动焊接试件疲劳寿命

表7  板梁焊接件试件疲劳寿命对比

表7为各种工况焊接试件疲劳寿命对比表，从表中不难得出如下结论：

1．振动焊接可以提高板梁焊缝的疲劳寿命，其寿命提高率可达70%以上；

2．振动焊接过程中，被焊件共振与不共振，其焊缝疲劳寿命的提高率基本相同，非共振效果稍好。

二、本组试验使用13个试件，加载方式如图4.5，试验结果见数据表8。

使用PME-50A型液压脉动疲劳试验机，控制载荷P_max=15吨，P_min=3吨，以控制焊缝处应力σ_max=132.9MPa，σ_min­=29.5MPa。疲劳裂纹首先由焊缝内缘处产生，向外扩展至外缘b处，直至上面板焊缝处。

表8  振动焊接与非振动焊接结构件疲劳寿命对比试验数据表

从表8中不难看出

1．振动焊接可以大幅度提高焊接结构件的疲劳寿命，提高率在70%以上，与前面所做的板梁疲劳试验结果相当，说明振动焊接确实是提高焊件疲劳寿命的有效方法。

2．平台振动焊接（即不共振的振动焊接）提高疲劳寿命的效果优於共振的振动焊接，这与板梁的试验结果是一致的。

振动焊接对构件断裂韧性的影响

按国家标准GB2358-80采用COD试验方法测定焊缝的断裂韧性。同样在正常焊接、简支振动焊接和平台振动焊接三种焊接工艺的试板上各取一组80×12×12（mm）的标准试件，并切出20道宽2.5mm深的裂纹源，采用三点弯曲法加载测定断裂韧性。得如图4.6~4.8的δ_R曲线。

表9  三种焊接过程的断裂韧性比较

从表9可以看出各种方式的振动焊接均可提高焊缝的断裂韧性，而简支振动焊接（共振）可能提高断裂韧性的比率更高。

振动焊接对焊缝材料拉伸特性的影响

由国内外大量资料表明，焊接过程中振动对焊缝材料的拉伸特性有着显著的影响，这个影响主要来自两方面，其一是焊接残余应力的下降，另一方面来自於焊接材料组织变化的结果。这两方面原因使焊缝材料的屈服极限σ_S和强度极限σ_b都得到了提高，在这一点上就比振动时效的效果要高得多。在这方面国内外的文献中都有所介绍，特别是文献中通过大量的实验给出了一组曲线是重要的证明。