海洋平台建造过程中焊接工作量大，残余应力问题显著。焊接残余应力可降低构件承载能力和疲劳寿命、加速应力腐蚀和脆性断裂的发生。因此焊后消除应力在生产中往往是非常重要的。实际生产中主要采用的局部热时效法，易引起组织和性能的变化。因此海洋平台建造过程中开始考虑采用振动时效调整焊接残余应力。振动引起的动应力与残余应力迭加后超过材料的屈服强度，高应力区发生局部屈服释放残余应力。微观角度认为振动会引起材料屈服强度降低或内部位错的运动和增殖。但对于海洋平台建造过程中大量高刚度、共振频率高的DH36厚板焊接结构，常规振动时效设备难以达到共振频率，效果有限。存在的高频振动时技术受到设备的限制一般用于小尺寸或薄壁构件。大刚度焊接构件在非共振频率下的振动消应力处理仍为一亟待解决的技术难题。

针对DH36低合金钢大刚度焊接构件在非共振下的振动消应力问题，提出了热振复合时效(thermal-vibrationstressrelief，TVSR)方法。对比了VSR与TVSR消应力的效果，并采用试验与有限元法相结合的方法讨论了TVSR作用机理。

热振试验结果及讨论

（1）试件模态分析

为了估算试样的固有频率和振型，借助有限元分析的手段进行模态分析，根据实际尺寸建立的有限元模型。试验中试件置于橡胶垫上，无固定约束，故将模型简化为自由振动。求解方法为模态分析法，单元类型为壳单元。所采用的材料参数为弹性模量为1.8×105MPa，泊松比为0.3，密度为7.85×10^-9kg/mm³。最终得到的一阶固有频率127Hz，对应一阶振型如图4所示。可见试样在长度方向上做横向的弯曲振动，试样中心的振幅最大。

（2）振动时效(VSR)试验

振动时效设备振动频率范围为0～100Hz，系统一阶固有频率超过激振器的激振，因此VSR无法在固有频率附近进行。经过多次尝试，在保证试验平稳进行的前提下尽可能提高振动频率，最终将激振器的转速确定为5537r/min(92Hz)，档位为7档，所对应的激振力为36.5kN，处理时间30min，拾振点位于焊缝中心。残余应力测量结果如图5所示。横向残余应力与纵向残余应力的峰值均位于焊缝边缘处。VSR后横向残余应力降低22.6%，纵向残余应力降低6.7%。理论上，工件在共振频率下能取得最大的振幅，在内部形成最大的动应力，从而得到最好的VSR效果。但是在振动时效过程中，激振频率一般是固定的，而工件的共振频率则是变化的。伴随着残余应力的释放，工件的共振频率会有所降低。因此一般VSR在略低于振条频率下进行。随着工件共振频率的降低，激振频率接近、覆盖或越过工件的共振频率。这样的做法可以较好地保证在VSR处理过程中工件能以较大的振幅振动。由于试验中构件的整体刚度较高，固有频率较高，导致振动时效处理时的频率与固有频率相差35Hz，距亚共振条件较远，消应力效果有进一步提升的空间。

热振研究结论

（1）针对大刚度厚板焊接构件刚度大，固有频率高，VSR难以发挥作用的情况，提出了非共振条件下使用热振复合时效处理的方法。使用试验和数值模拟的方法分析了其机理。TVSR通过降低DH36材料的弹性模量实现固有频率的降低，通过降低屈服强度提高残余应力的释放程度。

（2）55mm厚DH36矩形焊件经TVSR处理后横向和纵向残余应力分别降低41.3%和43.6%。局部加热提高振动时效过程中焊缝附近金属的温度，可以有效地提高振动时效的效果。 2100433B