振动时效技术在施工中的应用摘要：根据振动时效消除残余应力的原理和方法，对于高强钢焊接岔管建议采用振动时效技术，并按标准进行残余应力消除率的评定，可有效提高工作效率及压力钢管钢岔管的使用性能。

关键词：振动时效处理实施方案消除率的评定1、引言针对焊接残余应力对水电站高强钢岔管性能的影响，介绍了振动时效消除残余应力的原理和方法、磁弹法应力测试技术和方法以及评价准则。

高强钢焊接岔管如有消除残余应力的要求，建议采用振动时效技术，并按照标准jb/t5926-1998《振动时效工艺参数选择及技术要求》进行残余应力消除率的评定。

振动时效技术可有效地提高工作效率，改善水电站高强钢岔管的使用性能。

岔管振动时效技术包含3个主要内容，即：(1)对岔管进行振动时效处理。

依据标准对振动时效的效果做出定性的评价。

(2)振动时效前后分别进行残余应力测试。

通过对振动时效前后残余应力状况的分析对比,对岔管的残余应力水平进行定量的评价。

(3)时效前后分别进行无损探伤检测。

判断时效前后焊缝及母材有无缺陷扩展,并在时效前后分别对岔管位置进行观测,判断振动时效后岔管是否发生位移。

2、振动时效消除残余应力的原理为了降低和均化焊接构件的残余应力，保持构件的尺寸精度，生产上采用的方法大致可分为2大类。

(1)使内应力大量消除。

如热时效(将构件加热到520～550℃保温一段时间然后缓慢冷却至室温)一般可以消除残余应力的50%～80%。

(2)提高构件的松弛刚度。

如自然时效和加载处理等。

振动时效的作用是以上2类时效方法综合的结果,它不仅大量消除和均化焊接构件的残余应力(降低残余应力35%～55%),而且还可以有效地提高构件的松弛刚度和抗动载荷变形能力。

振动时效,国外称之为“v.s.r”(vibratorystressrelief)技术，它是指夹持在工件上的激振器产生周期性激振力,在其作用下,使构件达到共振状态,松弛工件的残余应力,保持工件尺寸稳定的方法。

振动时效是热时效的补充和发展,可在很大范围内代替热时效。

振动消除应力实际上就是用周期的动应力与残余应力叠加,使构件局部产生塑性变形而释放应力。

残余应力是作为平均应力提高周期动应力水平而起作用。

振动处理是对构件施加一交变应力,如果交变应力幅与构件上某些点所存在的残余应力之和达到材料的屈服极限时,这些点将产生塑性变形。

如果这种循环应力使某些点产生晶格滑移,尽管宏观上没有达到材料的屈服极限,也同样会产生微观的塑性变形,况且这些塑性变形往往是首先发生在残余应力最大的点上。

因此,使这些点受约束的变形得以释放从而降低了残余应力,这就是采用振动时效消除残余应力的机理。

经过振动处理的构件其残余应力可以被消除30%以上,高应力区消除率比低应力区大。

构件经过振动时效后,可以提高使用寿命,降低应力腐蚀;与热时效和自然时效相比,可以防止或减少由于热处理、焊接等工艺过程造成的微观裂纹的发生。

根据国内有关研究资料表明,经过振动时效处理的工件抗静载荷变形能力提高35%以上,抗动载荷变形能力可提高1～3倍。

因此,振动时效可以提高构件抗变形的能力,稳定构件的精度。

振动时效具有较强的实用性。

振动时效由于设备简单,易于搬动,因此可以在任何场地进行现场处理,它不受构件大小和材料的限制,从几十公斤到上百吨的构件都可使用振动时效技术。

特别是对于一些大型构件无法使用热时效处理时,振动时效就具有更加突出的优越性。

振动时效通常仅需30min,最长不超过50min,即可转入下道工序,而自然时效周期要半年以上,热时效至少也需1～2d以上,且需大量的煤油、电等能源,因此,相对于热时效而言,振动时效可节省时间、能源和费用,特别是可以节省建造大型焖火窑的巨大投资。

同时，振动时效只消耗少量的电能，所以没有环境污染。

振动时效可替代传统的自然时效和热时效，被广泛应用于冶金、机械行业焊接等金属构件的时效处理，它具有高效节能、无污染、设备投资少、操作简单、不受生产场地限制等显著特点。

3、钢岔管振动时效实施方案根据振动时效的要求，受振工件应放置在弹性支撑上，并且支撑点处于工件受迫振动的节线处，在现场现有的条件下，对岔管安装时布置的撑进行改造，将所有的支撑物与岔管之间加垫橡胶垫，保证岔管与原支撑脱离刚性连接并在振动时效过程中不再对支撑位置进行调整。

岔管现有的支撑形式会对振动能量的传递带来一定的阻尼，为消除这种不利影响，根据岔管这种薄壳结构形式，可采取多点激振的方法，保证岔管各部分都能获得足够的振动能量。

在多点振动的同时，每个激振点还要采取逐级增大动应力的多次振动，在低档时消除高值残余应力，在高档时消除低值残余应力。

这样既保证残余应力的降低率符合标准要求，又可避免动应力与残余应力叠加后超过材料的强度极限而造成强度破坏或原有缺陷的扩展。

同时，施振过程中，在岔管底部观察支撑受力变化情况，制定措施，确保岔管的安全。

4、振动时效方案的实施步骤4、1振动时效前的准备工作(1)现场整理。

清理出地平，预留出放置仪器的场地和人员通道。

(2)改造岔管支撑。

拆除岔管安装的刚性支撑，将橡胶垫塞入支撑与岔管管壁之间，顶紧压实。

对薄弱支撑进行加固，所有支撑与岔管管壁脱离。

(3)现场准备220v电源。

现场施工用电量大，焊机及设备启动频繁，对仪器运行操作存在不利影响，因此，测试工作尽量安排在工人午间休息进行。

(4)振动时效前对岔管焊缝外观检测和表面磁粉检测。

消除焊缝成型不良和表面裂纹的影响。

(5)振动时效前对岔管焊缝内部质量超声波探伤检测。

消除焊缝内部超标缺陷,并对记录缺陷进行跟踪。

(6)振动时效前岔管残余应力测试。

测试前选取与岔管模型相同的材料，按照同样的焊接工艺制作标定试样(标定试样由业主提供)，标定应用悬臂梁逐级加载法，记录不同应力水平的磁噪声mp值。

钢岔管测试部位按焊缝分布情况及应力分布情况确定，原则上每条焊缝不少于2处。

位置确定后，用白色记号笔标记出测试部位并编号，所有被测部位不得有涂层、飞溅及污物，打磨后电解抛光。

采用磁弹法测试残余应力并记录测试结果。

(7)振动时效前岔管管口位置检测。

时效前在岔管上游管口处测量管口错边量并记录。

4、2实施振动时效(1)确定激振点、拾振点位置。

根据机械振动理论，分析判断构件可能的共振频率及构件在激振频率范围内可能出现的振型，在此基础上，选择激振设备的频率范围，确定支撑点、激振点、拾振点等位置。

支撑点选择在波节处(工件在自由振动时振幅最小处)或附近，激振点选择在被振工件的波峰处(工件在自由振动时振幅最大处)或附近，拾振器应固定在远离激振器且能反映主振频率振型最大振幅处或附近，其方向应与振动方向一致。

经计算分析，岔管的谐振频率估计在3500～4500r/min左右，振型为弯扭振型，节点在岔管横截面时钟位置5点、7点附近,波峰在岔管顶部。

根据以上分析，选用2000～8000r/min的激振设备应能激起工件的谐振响应。

激振点选择在岔管顶面加劲环上以便于装卡，同时又易于引起谐振响应，初步确定在岔管最大直径处周围的3个加劲环上各设一个激振点，并根据时效效果对激振点有所增减或变更位置；拾振器放在岔管顶部距激振点约2～3m处。

(2)安装激振器及拾振器。

将激振器底座与钢岔管顶部加劲环刚性连接，并用专用卡具卡紧，接触面要良好，然后将偏心调到2档，连接好激振器与控制器之间的4芯线。

拾振器放在岔管顶部距激振点约2～3m并有明显振感的地方，连接好加速度信号线。

(3)试振。

根据估计的谐振频率，将最高转速设为6000r/min，偏心档暂选定在2档，时效时间设为2～3min。

开始试振时激振器由2000r/min开始扫频，看1阶、2阶、3阶谐振频率及位移幅各为多少，设备自动选择电流和加速度值最大时相对应的谐振频率为主振频率。

在以主振频率激振时，工件会发出较大的嗡嗡声，此时，往岔管上撒一些沙子，沙子会剧烈的跳动，沙子聚拢处为波节，反之为波峰。

也可通过变化拾振器的位置来检测波峰、波节位置,根据试振情况对激振点和拾振点的位置加以调整，使之更为合理。

(4)正式振动。

在试振的基础上确定正式振动时的时效参数，如主振频率、时效阶数、最高转速、时效时间和偏心档位等。

主振频率可从试振时的扫频曲线得知；时效阶数一般选1阶和2阶，如果2阶谐振时的振幅较小，则只选1阶谐振；最高转速应高于谐振频率100～300r/min；时效时间不宜过长，因为在以主振频率开始振动后的3～5min内，时间-振幅曲线变化明显，之后则逐渐变平(变化很小)，一般情况下，时间-振幅曲线变平后的5～10min内应结束振动，因此，每次振动时间以不超过15min为宜。

在正式振动时，应记录有关参数并打印出测试曲线及数据。

4、3振动时效后的检测(1)时效后超声波探伤检测复查。

在所有激振点的各次振动全部完成后，对岔管进行振后的超声波探伤检测复查，并对原记录缺陷进行振动前后的对比分析。

(2)振动时效后残余应力测试。

在所有激振点的各次振动全部完成后，对岔管进行振后应力测试，并进行振动前后应力的对比分析。

(3)振动时效后位置测试。

在所有激振点的各次振动全部完成后，对岔管进行振后位置测试，并进行振动前后的对比分析。

判定时效振动效果依据标准，通过两种方法进行评定，采用参数曲线观测法进行定性评定和采用残余应力测试进行定量评定。

岔管各激振点振动时效前后的扫频曲线发生了变化，加速度转速曲线(a-n曲线)左移，振幅升高，说明固有频率下降，阻尼减小；加速度时间曲线(a-t曲线)也发生了变化，加速度幅值升高或降低后趋于平稳；根据jb/t5926-1998《振动时效工艺参数选择及技术要求》的第4.1.2款和jb/t10375-2002《焊接构件振动时效工艺参数选择及技术要求》的第6.1款之规定可判定岔管的振动时效已取得效果。

5、钢岔管残余应力测试结果评定岔管焊缝各测区峰值残余应力振动消应效果对比曲线如图1所示。

图1 岔管焊缝各测区峰值残余应力振动消应效果对比曲线岔管焊接残余应力消除效果评定。

岔管共选择29个测区，其中单向峰值残余应力大于600mpa的有4个测区，单向峰值残余应力处于500～600mpa之间的有24个测区，单向峰值残余应力小于500mpa的有1个测区。

振前测点平均应力573mpa，振后测点平均应力380mpa。

经过振动时效后，应力平均值降低率为33.6%。

振前最大应力625mpa，振后最大应力418mpa，振前最小应力459mpa，振后最小应力317mpa。

6、结论根据岔管焊接残余应力消除效果评定，整体消应效果满足jb/t5926-1998《振动时效工艺参数选择及技术要求》第4.2.1.1～4.2.1.3款之规定和jb/t10375-2002《焊接构件振动时效工艺参数选择及技术要求》的第6.2.1款之规定。