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摘要：频谱谐波振动时效是在振动时效原理的基础上，应用先进的电子信息技术，通过傅里叶方法进行频谱分析，寻找低次谐波，自动选用合适的能量在多个谐波频率振动，引起高次谐波累积振动，产生多方向动应力，与多维分布的残余应力叠加，造成塑性屈服，从而降低峰值残余应力，同时使残余应力分布均化。
关键词：频谱谐波振动；大型焊接；应用
本文应用频谱谐波振动设备，对合圆状态外机壳进行频谱谐波振动时效处理试验，以期达到以下目标：工件焊缝残余应力不大于150 MPa，应力消除率不小于30%，应力均化率不小于50%，拆除工装后尺寸变化率小于3‰。同时通过该试验有效地推动频谱谐波振动时效技术在大型焊接构件中的应用。
1 频谱谐波振动时效试验准备工作
（1）频谱谐波振动时效设备
频谱谐波振动时效适应性强，能够处理亚共振无法处理的高刚性、高固有频率工件，能够满足尺寸精度要求高的工件。同时，谐波频谱振动设备操作方便，工作周期短，振动过程噪声低，成本低，不产生烟尘，不产生二次内应力。
频谱谐波振动时效设备由控制器、激振器、传感器三部分组成。在本文试验中，频谱谐波振动时效设备选用HK2010振动消应力设备，其采用K4型激振器，最大激振力为35 k N，调速范围1 000～8 000 r/min，可处理工件最大质量约100 t。
（2）盲孔法测应力设备
依据GB/T 31310-2014《金属材料残余应力测定———钻孔应变法》，采用HK21A应力检测仪，对工件表面进行应力检测，测得每个点初始残余应力的2个主应力σ1、σ2；
（3）应力检测点位置选择
根据外机壳壳体结构，主要焊缝类型有对接焊缝和角接焊缝2种，针对每种焊缝，在壳体的不同部位分别选择10个应力检测点。
振前检测点均选择在焊缝正中间位置，振后检测点距离振前检测点（钻孔）12 mm（不小于8倍钻孔直径），其余状态保持一致，振动前、后检测应变花相对位置如图1所示。通过计算焊缝振动前、后残余应力平均值，分析残余应力变化规律及应力消除情况；通过计算焊缝振动前、后残余应力离散度，分析残余应力均化情况。
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图1 振动前、后检测应变花相对位置图
2 试验过程
（1）试验工件焊接
本文试验的外机壳工件采用SAW焊接工艺。该工件焊接内应力分布具有一定的均匀性和规律性，使振前、振后数据具有对比性。
（2）振前残余应力检测
频谱谐波振动时效前，使用HK21A应力检测仪及专用钻孔装置，检测所选点振前焊缝残余应力并记录、保存。
（3）频谱谐波振动时效处理
无需振前扫描，使用HK2010设备直接对工件进行频谱分析，选取7个最佳谐振峰，设备开始自动运行，每个谐波峰运行6 min，共计运行42 min。
（4）振后残余应力检测
频谱谐波振动时效后，使用HK21A应力检测仪及专用钻孔装置，在距振前检测点12 mm处检测振后焊缝残余应力并记录、保存。
3 试验结果分析
（1）各检测点等效残余应力
HK21A应力检测仪根据应变花反馈应变值，计算出检测点位置平面应力σ1和σ2，依据第四强度理论计算等效应力，各点振前、振后残余应力如表1、表2所示。
表1 对接焊缝振动前后等效应力
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表2 角焊缝振动前后等效应力
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（2）残余应力消除率
计算对接焊缝振动时效前、后各检测点等效应力均值：
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对接焊缝残余应力消除率
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同理，计算角焊缝振动时效前、后检测点等效应力消除率e2=50.67%；
同理，计算对接焊缝、角焊缝综合残余应力消除率e=43.31%。
由上述数据可知，经频谱谐波振动时效处理后，焊缝残余应力明显降低，已降至150 MPa以下；角焊缝初始残余应力较大（288.79 MPa），振后残余应力消除率较高（50.67%）；对接焊缝初始残余应力较小（190.59 MPa），振后残余应力消除率相对较低（32.14%）；工件整体焊缝综合残余应力消除率43.31%，达到试验目标。
（3）残余应力均化率
计算对接焊缝振动时效前、后各检测点残余应力离散度：
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对接焊缝残余应力均化率
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同理，计算角焊缝残余应力均化率r2=66.19%。
同理，计算对接焊缝、角焊缝综合残余应力均化率r=80.46%。
由上述数据可知，振前对接焊缝、角焊缝残余应力离散度均不高，分别为21.02 MPa、20.97 MPa，经频谱谐波振动时效处理后，焊缝残余应力得到进一步均化，对接焊缝残余应力均化率44.58%，角焊缝残余应力均化率66.19%，工件整体焊缝综合残余应力均化率80.46%。
（4）拆除工装后尺寸变化
检测位置选择在中间圆筒平均分布的5个位置，振动时效处理后拆除工装，工装拆除前、后尺寸如表3所示，由表3可知，工装拆除后最大尺寸变化13 mm，最大尺寸变化率1.37‰，尺寸稳定性较好，达到试验目标。
表3 工装拆除前后尺寸检测
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4 结语
（1）频谱谐波振动时效处理可以有效消除外机壳焊接应力，焊缝残余应力全部低于150 MPa，焊缝残余应力消除率43.31%，应力消除效果明显；
（2）频谱谐波振动时效处理可以有效均化外机壳焊接应力，焊缝残余应力均化率80.46%，应力均化效果明显；
（3）频谱谐波振动时效处理可以有效降低焊接应力变形，稳定工件尺寸，尺寸最大变化率1.37‰；
（4）相对于热时效、传统振动时效，频谱谐波振动时效具有多方面技术优势，且能获得明显的经济效益。该技术可在更多领域推广应用，发挥其节能减排、提高效率的作用。
参考文献：
[1]王丽海.频谱谐波时效代替热时效在电机制造加工中的应用[D].上海：上海交通大学，2011.
[2]刘兴辉，张志艳，陈宏源.应用频谱谐波时效技术消除齿轮箱零件加工中应力的研究[J].新技术新工艺，2011（6）：97-99.
[3]吴艳平.基于ANSYS的泥浆泵曲轴连杆机构运动特性仿真分析[J].煤矿机械，2020，41（10）：193-196.
[4]王丽七，曹国光，黄春燕，等.振动时效技术在雷达电子装备制造中的应用[J].贵阳学院学报（自然科学版），2017，12（4）：68-70.
[5]李彦军，郭星魁.振动时效工艺在钻采设备的研究与应用[J].化工设计通讯，2019，45（12）：255-256.